wyklad7 2010 detektory

Mikroprocesory
Procesor - jednostka arytmetyczno-logiczna maszyny cyfrowej:
zespół rejestrów
układ sterujący z zegarem
magistrala
Bufor
(zespół
rejestrów)
Układ
sterujący
jednostka arytmetyczno-logiczna
Zadanie - wykonywanie rozkazów według zadanego programu.
Kolejne impulsy zegara generują adresy kolejnych operacji
Dane kolejnych operacji pobierane są z bufora
Mikroprocesor jest zwykle zawarty w jednym układzie scalonym.
Częstości zegara powyżej 1 GHz.
Długość słowa: 32-bity.
Rejestry - urządzenia pozwalające zapamiętywać słowa logiczne oraz dokonywać
na nich operacji przesunięcia (pomnożenia lub podzielenia przez 2).
wejście równoległe
zezwolenie na zapis równoległy
wejście szeregowe
kasowanie
zegar
wyjście równoległe
wyjście
szeregowe
Zapis „równoległy” – odczyt szeregowy lub równoległy
Zapis „szeregowy” – odczyt szeregowy lub równoległy
cykl zegara: przesunięcie słowa w rejestrze mnożenie lub dzielenie przez 2
MAGISTRALA (bus)
komunikacja w systemach cyfrowych
przesyłanie i odbiór informacji
moduł I
moduł II
moduł N
kontroler
magistrali
magistrala
(bramki trójstanowe)
Bramki trójstanowe.
WE
WY
B=1
Zastosowanie: równoległe łączenie wyjść systemów logicznych
WE
Działanie:
WY
B=0
wejście sterujące „B” bramki w stanie logicznym „jeden” => bramka wykonuje
funkcję zgodnie z tabelą prawdy
wejście bramki B=0 => wyjście w stanie odcięcia
W
Urządzenia wejścia/wyjścia
bufory
jedno- i dwukierunkowe
W
E
J
Ś
C
I
E
W
Y
J
Ś
C
I
E
E
J
Ś
C
I
E
/
W
Y
J
Ś
C
I
E
W
E
J
Ś
C
I
E
/
W
Y
J
Ś
C
I
E
„X”
„Y”
B
STEROWANIE
BUFOR JEDNOKIERUNKOWY
Łączenie układów cyfrowych z magistralami
STEROWANIE Y-X
B
STEROWANIE X-Y
BUFOR DWUKIERUNKOWY
Przerzutniki zatrzaskowe (latch)
Komunikacja z magistralą – synchronizacja sygnałów
Tablica działania:
wejście G przerzutnika w stanie logicznym „1”
=> sygnały z wejścia D przechodzą do wyjścia Q
wejście G przerzutnika w stanie logicznym „0”
=> stan wyjścia Q „zamrożony”.
Zastosowanie: bufory zatrzaskowe trójstanowe
złożone urządzenia logiczne o autonomicznie sterowanych modułach
przyjęcie słowa logicznego utworzonego przez
moduł cyfrowy,
zapamiętanie
przesłanie do magistrali sterowane impulsem
zegara załączającego bramki trójstanowe
W
E
J
Ś
C
I
E
ZAPIS
W
Y
J
Ś
C
I
E
PRZESŁANIE
Transmisja informacji cyfrowej
Układy ECL (Emiter Coupled Logic)
Najszybsza rodzina elektroniki cyfrowej subnanosekundowy czas propagacji przez bramkę
częstość zegara dla przerzutników ~1 GHz
napięcia zasilania VCC = 0 V i VEE = -5.2 V
poziomy logiczne: „1” = -0.9 V i „0” = -1.75 V.
podstawowe bramkami logicznymi są OR i NOR.
linia transmisyjna
impedancja Z0
1.6 Z0
2.6 Z0
-5.2 V
Dopasowanie falowe !
bramki zbudowane w technologii tranzystorów bipolarnych.
duży pobór mocy: >50 mW
Optozłącza - zamiana sygnału prądowego na fotonowy i odwrotnie
Linia transmisyjna – światłowód
Możliwość jednoczesnego przesyłania
wielu informacji
Modułowe systemy aparatury elektronicznej
Standardyzacja mechaniczna
Standardyzacja elektryczna
Standardyzacja logiczna
Umożliwiają:
budowanie złożonych zestawów pomiarowych z pojedynczych
modułów funkcyjnych,
analizę sygnałów analogowych i/lub sygnałów logicznych,
sterowanie i rejestrację danych za pomocą komputera (tylko
moduły wyposażone w bufory komunikacji z magistralą)
Standardy:
NIM (Nuclear Instrument Module)
CAMAC (Computer Application for Measurements and Control)
FASTBUS
VME (Versatile Module Europa)
CAMAC (Computer Application for Measurements and Control)
Moduły cyfrowe np. ADC, DAC
Magistrala danych i rozkazów (standard logiczny: TTL w logice ujemnej),
Jeden kontroler kasety sprzęgnięty z komputerem,
Liczba stanowisk w kasecie: 25 (24 wykonawcze + jedno specjalne - sterujące)
Adresowanie NFA
N - geograficzna pozycja modułu w kasecie
(od 1 do 24),
A – podadres sekcji w module
(4 linie – wybór jednej z 16 sekcji)
F - kod operacji
(5 linii – 32 możliwe funkcje)
Szyny danych:2*24 linie (słowo 24 bitowe)
Szyny sterujące: 2*12 linii (A, F, Busy,
Inhibit, Clear)
Cykl operacji magistrali 1 µs
Opracowany w CERN w 1968 roku
Producenci: LeCroy, CAEN
Interfejsy (sprzęgi, ang. interface)
Interfejs: sprzęganie komputera z urządzeniami zewnętrznymi.
Wiele standardów sprzęgów podstawowych wbudowanych
Sprzęgi specjalne mogą być montowane jako dodatkowe urządzenia (karty PCI)
Urządzenie zewnętrzne: analogiczny interfejs wraz z „inteligentnym” układem
obsługi komunikacji
Sprzęgi standardowe:
Sprzęg równoległy Centronix: LPT
Sprzęg szeregowy RS 232 C
USB
Fire wire
TCP/IP
…
…
Sprzęgi dodatkowe:
GPIB
Zdalna kontrola urządzeń pomiarowych przez sieć internet – TCP/IP
CAMAC - C111C
Ethernet CAMAC Crate Controller
GPIB-LAN Ethernet to GPIB Converter
Kontrola urządzeń pomiarowych przez wbudowany web-server
Pamięci - przechowywanie informacji cyfrowej
ROM (Read Only Memory): pamięci ze stałym zapisem – tylko do odczytu
przechowują informację mimo braku zasilania
przechowywanie stałych programów
PROM (Programable ROM) – zapis programu za pomocą programatora
EPROM (Erasable-Programable ROM) kasowanie całości informacji np. za pomocą
promieniowania ultrafioletowego
EEPROM (Electrically Erasable PROM) - selektywne kasowanie za pomocą sygnału
elektrycznego.
RAM (Random Acces Memory) - pamięci o dostępie „losowym” traci informację po
wyłączeniu zasilania.
zezwolenie na zapis
Cykl komunikacji z pamięcią odczyt [zapis]:
zezwolenie
podanie adresu komórki pamięci
informacja przesłana z komórki pamięci na wyjście
[informacja pobrana z wejścia]
w
e
j
ś
c
i
a
w
y
j
ś
c
i
a
wejścia adresowe
Każda komórka pamięci ma swój adres
Pamięci ....... trochę historii ....
Pamięci ferromagnetyczne (rdzeniowe) do lat 50-tych ubiegłego wieku jedyne znane pamięci nieulotne
informacja przechowywana w polu magnetycznym rdzenia
ferromagnetycznego
wykorzystanie pętli histerezy ferrytu
Komunikacja z komórką pamięci:
zapis: jednoczesny impuls prądowy na liniach adresowych X i Y
odczyt stanu logicznego komórki: wpisujemy „0” i mierzymy prąd na linii
próbkowania (odczyt kasuje informację, więc trzeba ją natychmiast odtworzyć)
Pamięci obecnie
Dwie rodziny pamięci RAM zbudowanych z tranzystorów polowych:
Dynamic RAM (D-RAM)
duża pojemność w pojedynczym układzie scalonym
(układy o dużej skali integracji) – np. 4 Gb
długi czas dostępu: powyżej 25 ns (typowo 50-70 ns)
Static RAM (S-RAM)
mała gęstość upakowania – np. 72 Mb
krótki czas dostępu: poniżej 10 ns
Dynamic RAM
Pojedyncza komórka zbudowana z dwóch tranzystorów polowych
Utrzymanie informacji wymaga częstego „odświeżania” - ~1 MHz
Static RAM
Pojedyncza komórka zbudowana z sześciu tranzystorów polowych
Utrzymanie informacji nie wymaga „odświeżania”
(własne zasilanie elementu pamięciowego)
D-RAM i S-RAM – odczyt kasuje stan komórki, trzeba go natychmiast odtworzyć
O co walczymy:
minimalizacja czasu dostępu
maksymalizacja upakowania
maksymalna trwałość informacji w komórce
(D-RAM)
Oczywiście:
pamięci RAM o małej pojemności można
zbudować z przerzutników D.
niewielki czas dostępu (~1 ns).
Potokowe przetwarzanie danych:
pamięci FIFO - First In., First Out
pamięci LIFO – Last In., First Out
etc.
Struktura układu doświadczalnego
EKSPERYMENT ELEKTRONICZNY
Zjawisko
przyrodnicze
detektor
Urządzenie
wykonawcze
regulator
Urządzenie
pomiarowe
interfejs
interfejs
komputer
Detektory elektroniczne
Zamiana energii nośników informacji na impuls prądu elektrycznego
proces
Układ detekcyjny
(wielostopniowy)
nośniki
informacji
impuls prądowy
Detekcja:
oddziaływanie nośników informacji z materią
wzmacnianie pierwotnych sygnałów
generacja prądowych impulsów analogowych
wielkość i kształt impulsu jest funkcją
procesu oddziaływania nośnika z materią detektora
Wczesna historia pomiarów promieniowania
Ekrany scyntylacyjne
Emulsje fotograficzne
Licznik Geigera-Mullera
Komora mgłowa Wilsona
NOBEL
1927 - Charles Wilson
Jonizacja
Historia - niedawna
NOBEL
1960 - Donald Glaser
1959
Komora pęcherzykowa Zapis fotograficzny
Precyzyjny pomiar topologii oddziaływań ale …
Nie znamy chwili zajścia zdarzenia
Brak możliwości wyboru przypadków oddziaływań
Co chcemy mierzyć (obecnie) ?
Trajektoria lotu cząstki
Energia
Pęd
Identyfikacja – rodzaj cząstki i ładunek elektryczny
Chwilę w czasie
Należy pamiętać, że:
Cząstki możemy zobaczyć tylko kiedy oddziałują z materią
detektora (stąd neutrina ‘prawie’ niewidzialne)
Oddziaływanie odbywa się zawsze poprzez depozyt energii
Składniki eksperymentu FWE
Pomiar
niedestrukcyjny
Pomiar
destrukcyjny
Pomiar
„resztek”
Detektory promieniowania
Detektory fotonów - zakres widmowy w pobliżu pasma widzialnego
E = hν =
hc
λ
h = 6,62*10-34 J s
1 eV = 1.6*10-19 J
1.24
E[eV ] =
λ [µm]
Detektory promieniowania jonizującego:
wysokoenergetyczne fotony
stabilne cząstki naładowane
Fizyka oddziaływań
promieniowania z materią
fundamentem technik detekcji
Detektory elektroniczne:
scyntylacyjne
jonizacyjne
• gazowe
• półprzewodnikowe
Fotony ?
Efekt fotoelektryczny – Einstein 1905)
Wydajność fotoemisji zależy od:
energii fotonu
rodzaju materiału fotokatody
Wydajność (efektywność) kwantowa
Foto-prąd jest proporcjonalny do mocy padającego światła:
I p = R ⋅ Pin
gdzie R - czułość [A/W]
Wydajność kwantowa:
η=
liczba wygenerowanych elektronów
stąd czułość:
liczba padających fotonów
ηq ηλ
R=
=
hν 1.24
λ [µm], q = 1,602*10-19 C
c = 3*108 m/s, h = 6,62*10-34 J s
Ip
=
q
Pin
hν
hν
=
R
q
ν=
c
λ
FOTOPOWIELACZ
IWE
If
R
WE
Fotopowielacz = źródło prądowe
WY
Konwerter prąd-napięcie
Fotopowielacz cd.
Fotokatoda i materiał okna
Fotopowielacz cd.
Proces wzmocnienia jest procesem statystycznym
w przybliżeniu opisywanym rozkładem Poissona.
B - fotopowielacz o dużych szumach
A - fotopowielacz o niewielkich szumach
„Szumy” fotopowielacza – prąd ciemny, impulsy
(zliczenia) ciemne
Przyczyna: termoemisja elektronów z powierzchni
fotokatody i dynod.
Obniżenie temperatury
radykalne zmniejszenie szumów
8852 – Photomultiplier BURLE - Quantacon PMT
51-mm (2-inch) średnica fotokatody, 12-stopniowy
Pole magnetyczne !!!
zakłóca działanie
fotopowielacza
Opis okna wejściowego:
Materiał . . . . . . . . . Pyrex, Corning No. 7740
Współczynnik załamania dla 589.3 nm . . . . . . . . .. 1.47
Dynody:
Dynoda no.1. . . . Gallium-Phosphide
Dynody no.2 do 12, . . Beryllium-Oxide
Struktura . . . . . . . . . liniowa z ogniskowaniem elektrostatycznym
Powielanie elektronów w układach MICROCHANNEL PLATE
„niewrażliwy” na
zewnętrzne pole
magnetyczne !
Wzmacniacze obrazu (Image Intensifier)
85104 Microchannel Plate Photomultiplier BURLE
With Semi-Transparent Photocathode
Fotokatoda – Arsenek Galu
dobra zdolność zliczania fotonów
czułość fotokatody 120 mA/Watt dla 860 nm
szeroki spektralny zakres czułości - 350 do 920 nm
średnica okna wejściowego - 18 mm
„niewrażliwy” na zewnętrzne pole magnetyczne
Micro-pixel Avalanche PhotoDiodes - fotopowielacz półprzewodnikowy
Golovin i Sadygov w latach 90’
Gęsta macierz fotodiod lawinowych działających w modzie Geigera
hν
ν
R 50Ω
Ω
Substrate
Doskonała rozdzielczość energetyczna
rozdzielczość czasowa: 50-100 ps
liczba pixeli do 40000/mm2
wzmocnienie ~ x 104
napięcie zasilania ~65 V
Detekcja fotonów wysokoenergetycznych
detektory scyntylacyjne
Dla większych energii fotonów (E> ~20keV)
konieczność zastosowanie gęstego ośrodka: np. NaI(Th)
odpowiednia wydajność rejestracji
Scyntylacje: rozbłyski ośrodka
wskutek oddziaływania
promieniowania
Widmo scyntylacji: zakres widzialny (na ogół)
Licznik scyntylacyjny
Zestawienie różnych scyntylatorów
Pomiar energii
Kalorymetry elektromagnetyczne i hadronowe
Całkowite ‘zniszczenie’ cząstki i absorpcja jej energii (+pomiar topologii)
Kalorymetr próbkujący jonizacyjny
CIEKŁY ARGON
Electron shower in lead. Cloud chamber. W.B. Fretter, UCLA
Projectile Spectator Detector –
Kalorymetr NA61
• 60 warstw ołów/scyntylator
• 10 podłużnych sekcji
• 10 MAPDs/moduł
MAPD
F. Guber, A. Ivashkin - INR, Moscow
Detektory jonizacyjne
Ośrodek aktywny:
– Gaz
– Ciało stałe
(półprzewodnik)
Multi Wire Proportional Chambers MWPC
Time Projection Chambers
Time Expansion Chambers
Proportional
Materiały: Chambers
Thin Gap
Chambers
Krzem,
German,
Drift Chambers
Węgiel (diament),
Jet Chambers
StrawArsenek
Tubes Galu
Technologia:
Micro
Well Chambers
Paskowe
Cathode Strip Chambers
Mozaikowe
Resistive
Plate Chambers
Dryfowe
Micro Strip Gas Chambers
GEM - Gas Electron Multiplier
Micromegas – Micromesh Gaseous
Structure
Krzemowe detektory paskowe
(Silicon strip detectors)
Płaska płytka z krzemu wysokooporowego (wysoka czystość) – tutaj: typu n
Jedna powierzchnia posegmentowana na paski w postaci złącz np
Odległość między paskami 20 do 200 µm - fotolitografia wysokiej precyzji
Przestrzeń w pełni zubożona przez przyłożenie napięcia zaporowego (25- 500V)
Cząstka jonizująca powoduje tworzenie par elektron-dziura (25k w warstwie
300 µm).
50 µm
300 µm
Detektory gazowe
Argon, Hel, Neon, Krypton, Ksenon + domieszki
Emisja fotonów stowarzyszona
z procesem lawinowego
powielania elektronów
Detektory gazowe
liczniki proporcjonalne
wielodrutowe komory proporcjonalne i dryfowe
MultiWire Proportional Chamber (Charpak 1968)
Georges Charpak
Nobel Prize in Physics 1992
Wielodrutowe komory proporcjonalne (Georges Charpak, 1968)
Poszczególne anody
niezależnymi detektorami
Pomiar pozycji trafienia cząstki
Lawinowe powielanie elektronów
Wzmocnienie gazowe < 107
Gazowe detektory dryfowe
Czas kolekcji ładunku jonizacyjnego zależy od:
składu ośrodka
natężenia pola elektrycznego
Pomiar czasu przepływu ładunku jonizacyjnego
Pomiar pozycji trafienia cząstki
Detektory śladowe - Time projection Chamber (TPC)
TPC – trajektorie cząstek naładowanych
4 moduły TPC
Całkowita objętość obszaru aktywnego:45 m3
180 000 czujników – pikseli
62 moduły komór wielodrutowych
Pole magnetyczne 1.5 Tesla
Mieszanka gazowa: Ar + CO2
Identyfikacja cząstek przez pomiar dE/dx
NA61 2007 pC data
NA49
p+p
p+Pb
Identyfikacja cząstek przez pomiar czasu przelotu TOF
TOF – pomiar pędu konieczny
Identyfikacja cząstek - połączony pomiar dE/dx i TOF
NA49
Zderzenia Pb+Pb
Przedział pędu 5–6 GeV/c
Nowe techniki w detektorach gazowych
100 µm
MSGC:
10 µm
Micro-Pattern Gas Detectors (GEM, Micromegas)
Micro- Zdolność rejestracji silnych strumieni
promieniowania
- Odczyt do Time Projection Chamber
Odczyt pikselowy Micro
Micro--Pattern Gas Detectors
50 µm
140 µm
Micromegas:
3.106 Hz mm-2
Gas Electron Multiplier (GEM) Detector
(Fabio Sauli 1995)
Gęsta siatka otworów (sitko) w cienkiej folii plastikowej o
zewnętrznych powierzchniach pokrytych miedzią
Przyłożenie różnych potencjałów do obu stron folii powoduje
powstanie dipolowego pola elektrycznego w otworkach
Ions
40 %
60 %
F. Sauli, Nucl. Instrum. Methods A386(1997)531
Electrons
GEM: Gas Electron Multiplier
5 µm
High density of holes (50-100/mm2)
Typical geometry: 5 µm Cu on 50 µm kapton
70 µm holes
140 µm pitch
70 µm
50 µm
55 µm
70 µm
140 µm
BASIC GEM DETECTOR
-VD
3 mm
DRIFT
-VTOP
∆VGEM
-VBOT
MULTIPLICATION
1 mm
INDUCTION
DRIFT PATTERNED
READOUT
BOARD
Zalety:
DRIFT
ET1
TRANSFER 1
ET2
TRANSFER 2
EI
INDUCTION
GEM 1
Swoboda w kształtowaniu geometrii detektora
Odczyt oddzielony od obszaru wzmocnienia
GEM 2
Możliwość kaskadowego wielostopniowego
GEM 2
wzmocnienia ładunku
ED
READOUT
Odczyt dwuwymiarowy
400 µm
80 µm
Cartesian:
350 µm 400 µm
Small
angle:
Pads:
C. Altumbas et al, NIM A490(2002)177
A. Bressan et al, Nucl. Instr. and Meth. A425(1999)254
Odczyt mikropixelowy detektorów gazowych
Zastosowanie „nagiego” układu CMOS jako anody
Medipix2 collaboration
http://www.cern.ch/Medipix
• 17 instytutów (16 EU i 1 US)
• Zastosowania:
– Radiografia dentystyczna
– Mamografia
– Angiografia
– Dynamic autoradiography
– Promieniowanie synchrotronowe
– Mikroskop elektronowy
– Kamera Gamma
Pixel: 55 µm
– Dyfrakcja X
256 x 256 pixeli
– Detekcja neutronów
14-bit licznik odczytu na każdym pikselu
– Monitor promieniowania Odczyt szeregowy <5ms@180MHz
Odczyt równoległy <300us@120MHz (>1KHz kadr)
Powierzchnia ~2cm2
Od Medipix do TimePix
e- from source
test beam
Pomiar śladów !
Mikro TPC
TimePix
(EUDET: Bonn, Freiburg, Saclay, CERN, NIKHEF)
TimePix + GEM setup
600 µm
3 pixel functionality modes
14 mm
14 mm
DESY
Test Beam:
5 GeV
electrons
Freiburg Bonn
X. Llopart
M.Titov
Detektory gazowe – detekcja promieniowania X
Zakres stosowalności: energia fotonów X < 100keV
Absorpcja fotonów w ośrodku gazowym
Zastąpienie kliszy rentgenowskiej specjalną wielodrutową komorą proporcjonalną
Pomiar 1D >>> scanning >>> obraz 2D
Zalety:
obraz cyfrowy
zmniejszenie dawki promieniowania
poprawa kontrastu
Optyczne detektory gazowe 1986-1990
Prekursor Micro-pattern Gas Detectors?
G. Charpak, J.P. Fabre, F. Sauli, M.
Suzuki & W. Dominik, Nucl. Instr.
and Meth. A258(1987)177
Optical Time Projection Chamber
Dwuprotonowy rozpad
45Fe
K. Miernik et al, Nucl. Instr. Meth. A581(2007)194
System akwizycji danych
LabView
OTPC
HV
Kamera
PM
PC
Frame
Grabber
PXI
Digitizer
100 MHz
TOF
∆E
DGF
Rekonstrukcja zdarzeń
t
Z
θ
LPM = vd t
Y
X
φ
Fotopowielacz
Rekonstrukcja zdarzenia: (r, Θ, φ )
Lo
Lo = r cosΘ
LPM = r sinΘ
XY
Kamera
r2 = Lo2 + LPM2
Θ = arctan(Lo/LPM)
Rozpad 2α jądra 8Be
T1/2 = 0.77 s
8B
T1/2 = 0.84 s
16.26 MeV
2α
α
8Li
3.04 MeV
2α
α
8Be
2α
α
Rozpad 45Fe w He +Ar (2:1)
K. Miernik et al, Phys. Rev. Letters 99(2007),1-4
Zakłócenia i szumy
Zakłócenia i szumy – niepożądane sygnały w układach elektronicznych
Występują w każdym elektronicznym układzie pomiarowym
Przyczyny powstawania nie zawsze kontrolowane przez eksperymentatora
Klasyfikacja (na użytek wykładu):
zakłócenia zewnętrzne, wywołane pracą innych urządzeń elektrycznych, zjawiskami
przyrodniczymi
szumy powodowane przez fluktuacje transportu ładunku elektrycznego wewnątrz
układu pomiarowego związane ze zjawiskiem przepływu prądu
Zakłócenia zewnętrzne.
Typowy tor przenikania zakłóceń :
Źródło zakłóceń
(nadajnik)
Kanał transmisji
odbiornik
Eliminacja zakłóceń pomiarowych powinna zachodzić we wszystkich elementach toru
transmisyjnego:
zadanie niewdzięczne, nudne, żmudne czasochłonne i wymaga dużej intuicji, ale od
skuteczności zależy jakość wyników pomiaru
Szum biały
Sygnał
+
Szum
Widmo szumów oraz zakłóceń zewnętrznych
Szumy i zakłócenia ograniczają czułość aparatury pomiarowej i precyzję pomiaru
Należy z nimi walczyć!
np.: technika modulacyjna (częstość modulacji zależy od eksperymentatora).
najmniej zakłócone pasmo 103 -105 Hz
Należy unikać wielokrotności częstości sieciowej!