Módulos Electrónicos y Señales

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3 - 2 - Salidas de ánodo y dinodo del fotomultiplicador: resultados obtenidos.
Para realizar esta parte del experimento (y todas las siguientes) se utilizó un detector
centelleador de NaI(Tl). Al tubo fotomultiplicador se lo alimentó con una tensión de -2100 V.
Como ya dijimos en la sección anterior, el fotomultiplicador tiene dos salidas: una de dinodo y otra
de ánodo. La salida de dinodo se toma en un punto de la cadena de multiplicación antes del ánodo,
por lo tanto el pulso eléctrico de dinodo tiene una amplitud menor al de ánodo. Mediante el
osciloscopio se estudiaron ambas salidas. Los resultados obtenidos fueron:
Amplitud de la señal de salida del dinodo: 60 mV (pulso positvo)
Amplitud de la señal de salida de ánodo: 0,4 V (pulso negativo)
Como se puede ver, la amplitud de la salida de ánodo es 15 veces mayor. En las Figuras 4 y
5 se muestran los pulsos de salida del ánodo y el dinodo.
Figura 4: pulso de salida de ánodo del fotomultiplicador.
Figura 5: pulso de salida de dinodo del fotomultiplicador.
3 - Señales en Física Nuclear. Terminología
Los detectores modernos proveen una amplia información de la radiación detectada en la
forma de un pulso eléctrico. Para extraer esta información, la señal debe ser procesada por un
sistema electrónico. Este sistema debe estar diseñado para realizar una enorme variedad de tareas.
Por ejemplo, distinguir entre diferentes señales, extraer información de la energía de la radiación
incidente, determinar la diferencia temporal relativa entre dos eventos, etc. Además, a partir de
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estos datos, “tomar decisiones”, como ser aceptar o no un dado evento. Como veremos en breve,
todas estas tareas se realizan mediante un sistema electrónico modular. Antes de describir este
sistema, daremos algunas definiciones básicas en el campo de la electrónica nuclear.
3 - 1 - Terminología.
Como ya dijimos varias veces, la codificación de la información se realiza en la forma de
un pulso eléctrico. La información puede estar contenida en una o más características del pulso,
como por ejemplo la amplitud, polaridad, forma o simplemente en su mera presencia. Comencemos
entonces la discusión identificando primero algunas características de los pulsos y definiendo los
términos asociados con estas. La Figura 6 muestra un pulso rectangular ideal de voltaje (o corriente)
en función del tiempo. En la electrónica nuclear este tiempo puede variar desde los microsegundos
hasta fracciones de nanosegundos.
10
90%
8
Voltaje
6
amplitud
4
2
10%
0
linea de base
rise time
tiempo
fall time
Figura 6: pulso rectangular. Se muestran también algunos términos usados en electrónica nuclear.
Definiremos los siguientes conceptos:
Línea de base: La línea de base de la señal es el nivel de voltaje (o corriente) al cual el pulso decae.
Si bien el valor de la línea de base es generalmente cero, es posible que tome otro valor por
fluctuaciones en la forma del pulso, contaje, etc.
Altura del pulso (o amplitud): La amplitud es la altura del pulso desde su máximo hasta la línea de
base.
Ancho de la señal: Es el ancho de la señal, usualmente tomado a la mitad de la altura.
Borde frontal: el borde frontal es el flanco de la señal que arriba primero en tiempo
Borde trasero: el borde trasero o cola es el retrasado en tiempo.
Rise time (tiempo de crecimiento): es el tiempo que le toma al pulso crecer desde el 10% al 90% de
su amplitud. Este tiempo determina la rapidez de la señal y es esencial en aplicaciones temporales.
Fall time (tiempo de caída): por analogía con el rise time, se define como el tiempo que le toma a la
señal caer desde el 90% al 10% de su amplitud. Para un dado pulso, el rise time y el fall time no son
necesariamente iguales.
Señales unipolares y bipolares: Los pulsos de señal pueden ser unipolares o bipolares. El pulso
unipolar es aquel que tiene un único lóbulo enteramente por encima (o por debajo) la línea de base.
En contraste, el pulso bipolar cruza la línea de base y forma un segundo lóbulo de polaridad opuesta
al primero. El pulso bipolar es la derivada del unipolar. La Figura 7 ilustra estos dos tipos de
señales.
Aquí hemos descripto un pulso ideal. En la práctica, los pulsos se distorsionan por diversos
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factores del equipo. Todas las definiciones aquí dadas siguen siendo válidas para el caso real.
Figura 7: Señales unipolares y bipolares.
3 - 2 - Señales lineales y lógicas.
En el procesamiento de señales, es importante distinguir entre dos tipos de pulsos: el pulso
lineal (o analógica) es un pulso que lleva información en alguna de sus características (por ejemplo
la amplitud o la forma). Una secuencia de pulsos lineales puede diferir entonces ampliamente en su
forma o amplitud. Por el otro lado, un pulso lógico (o digital) es una señal de amplitud y forma
constante, que lleva información sólo en su presencia o ausencia, o en el preciso tiempo de
aparición.
En cierto modo, las señales lógicas llevan menos información que las lineales. Sin embargo
las señales lógicas son mucho menos afectadas por las distorsiones y el ruido introducido por el
sistema analizador. Virtuamente, todas las cadenas de detección y análisis de radiación comienzan a
partir de un pulso lineal, y en algún punto, este es convertido (de acuerdo a algún criterio
predeterminado) en uno lógico.
3 - 3 - Señales lentas y rápidas.
Las señales lógicas y lineales se pueden dividir en dos grupos: rápidas y lentas. Las señales
rápidas se refieren a señales cuyos rise times es de unos pocos nanosegundos o menos, mientras que
las lentas tienen rise times del orden de los cientos de nanosegundos o más.
Los pulsos rápidos son muy importantes para aplicaciones temporales y altos contajes. En
estas aplicaciones es fundamental preservar el corto rise time a lo largo del sistema analizador. Los
pulsos lentos, por el contrario, son generalmente menos susceptibles al ruido y ofrecen mejor
información sobre altura de pulsos para estudios espectroscópicos.
En una rama analizadora, puede llegar a ser necesaria la utilización de ambos tipos de
señales. En este caso se debe tener en cuenta que los pulsos rápidos deben ser tratados en forma
diferente que los lentos. Esto se debe a que los pulsos rápidos son fácilmente afectados por las
inductancias, capacitancias y resistencias de los circuitos y los cables conectores. Además se deben
tener en cuenta las distorsiones debidas a las reflexiones en los interconectores de los cables. Estas
aparecen debido al corto tiempo de duración de los pulsos rápidos con respecto al tiempo de tránsito
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en los cables.
4 - Estandarización de los sistemas electrónicos: el sistema NIM.
La primera y más simple estandarización establecida para sistemas electrónicos en Física
Nuclear es el sistema modular denominado NIM (nuclear instruments modules). En este sistema, los
aparatos electrónicos básicos (amplificadores, discriminadores, contadores, etc.) son construidos en
forma de módulos de acuerdo a especificaciones mecánicas y eléctricas estandarizadas. Estos
módulos se conectan en bins (también estandarizados) que entregan el voltaje a los módulos.
Cualquier módulo NIM puede ser conectado en cualquier bin NIM. Por lo tanto, cualquier sistema
electrónico específico puede ser fácilmente creado coleccionando los módulos electrónicos
necesarios, instalándolos en un bin NIM y realizando el cableado adecuado. Después de realizado
el experimento, los módulos pueden ser transferidos a otro NIM (incluso de otro laboratorio), ser
combinados con otros módulos para otro uso o sencillamente ser almacenados para otro
experimento. Esto hace que el sistema NIM sea enormemente flexible, permitiendo un diseño
sencillo, intercambio simple de módulos, fácil reemplazo de estos, etc. Esto permite una reducción
de los costos y una utilización eficiente de los instrumentos.
4 - 1 - Módulos.
Los módulos NIM deben tener un ancho de 3, 43 cm y una altura de 22,225 cm. Pueden ser
construidos, sin embargo en múltiplos del ancho. La alimentación se suministra a los módulos a
través de conectores en la parte posterior del módulo, que encaja en el conector correspondiente del
bin, el cual se conecta a la línea. Aparte de las restricciones mecánicas y en el voltaje, el diseño
individual de los módulos es libre.
4 - 2 - Bins de alimentación.
El bin NIM estándar está diseñado para que quepan hasta 12 módulos de ancho simple. Los
conectores de voltaje deben proveer cuatro voltajes estándar: 12 V y 24 V. Algunos bins proveen
voltajes de 6V, aunque estos voltajes no son parte del estándar NIM.
4 - 3 - Señales lógicas.
Los módulos NIM incluyen instrumentos lineales o lógicos. Como ya dijimos, las señales
lineales llevan información en la amplitud o forma de los pulsos, por lo tanto estas magnitudes
varían en forma continua. Las señales lógicas, en cambio, tienen tamaño y forma fija, y en general
sólo son posibles dos estados, “si” y “no”. Es costumbre llamar a estos estados 0 y 1
(independientemente de cual es cual). Aunque no es parte de la convención NIM, se ha establecido
una estandarización para el rango de voltajes de las señales lógicas.
Dos tipos de estándares existen: lógica positiva lenta y lógica negativa rápida:
Lógica NIM positiva lenta (con una impedancia de 1000 ):
1  de +4 a +12 V
0  de +1 a -2 V
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Lógica NIM negativa rápida (con una impedancia de 50 ):
1  de -14 a -18 mA
0  de -1 a +1 mA
5 - Módulos electrónicos para el procesamiento de señales.
5 - 1 - Preamplificador.
La función básica de un preamplificador es (precisamente) amplificar las débiles señales de
salida del detector y conformarlas para que puedan ser analizadas por el resto del equipo,
especialmente las de dinodo. Al mismo tiempo, debe agregar la menor cantidad posible de ruido a la
señal. Debido a que la señal de entrada al preamplificador es muy débil, este está montado lo más
cerca posible del detector, de forma tal de minimizar lo más posible la longitud del cable conector.
De esta manera se reducen la influencia de los campos magnéticos externos y la capacitancia del
cable, la cual empeora la relación señal - ruido.
En el caso de los detectores centelleadores, una considerable amplificación se produce en la
cadena de dinodos, de forma tal que el pulso de salida de ánodo es manejable. En estos casos, la
función del preamplificador es menos trascendente.
5 - 1 - 1 - Salida del preamplificador: resultados obtenidos.
Durante esta parte de la experiencia, se “alimentó” al preamplificador con la salida de
dinodo del fotomultiplicador y se estudio la señal de salida del módulo mediante un osciloscopio.
Amplitud de la señal de entrada al preamplificador: 60 mV
Amplitud de la señal de salida del preamplificador: 100 mV
Por lo tanto, el preamplificador aporta un ganancia de 1,67. Cómo se ve, esta amplificación
(próxima a 1) es pequeña frente a la del fotomultiplicador y, como veremos, frente a la del
amplificador. En la Figura 8 se muestra el pulso de salida del preamplificador.
Voltaje
100 mV
señal de corriente
correspondiente al
rayos de 511 keV
del 22Na
tiempo
Figura 8: pulso de salida del preamplificador.
5 - 2 - El amplificador lineal.
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El amplificador lineal provee dos funciones primarias: amplificar los pulsos del
preamplificador y conformar el pulso. En ambos casos, el amplificador debe preservar la
información de interés. Si se requiere información temporal, un respuesta rápida es necesaria. Si se
desea información en energías, una estricta proporcionalidad entre los pulsos de entrada y salida
debe mantenerse (de allí el nombre de amplificador lineal). El factor de amplificación o ganancia
varía según la aplicación, aunque usualmente este factor es de 10 a 500. Normalmente, la ganancia
se ajusta mediante una combinación de ajustes gruesos y finos. Si el producto de la amplitud de
entrada y la ganancia supera la máxima amplitud de salida del amplificador, este satura. El
resultado es un pulso de salida distorsionado, aplanado a la amplitud a la cual se produce la
saturación. Esto se evita bajando la ganancia, pero de todos modos se debe evitar amplificar
aquellos pulsos cercanos al nivel de saturación. El amplificador lineal presenta dos tipos de salida:
una bipolar y otra unipolar (como las mostradas en la Figura 7). La salida unipolar se encuentra
retrasada unos 100 mS con respecto a la bipolar. Además, presenta un ajuste (shaping time) que
permite variar el ancho del pulso.
Existe un amplificador con una función distinta, el llamado amplificador biasado. El
propósito de este es amplificar una cierta porción de una señal lineal. Esta función es
particularmente útil cuando se requiere expandir una región del espectro para un análisis en detalle.
Para lograr su función, el amplificador biasado posee un nivel de corte variable. Todos los pulsos
por debajo de este nivel son descartados, mientras que a los pulsos que se encuentran por encima de
este valor le resta el nivel de corte. Por lo tanto, solamente los pulsos que exceden el nivel son
aceptados, y el exceso es luego amplificado. En la figura 9 se muestra esquemáticamente el
funcionamiento de este dispositivo.
Figura 9: esquema del funcionamiento del amplificador biasado
(para dos pulsos de diferente altura)..
5 - 2 - 1 - Salida del amplificador: resultados obtenidos.
En esta etapa se estudiaron mediante el osciloscopio los pulsos se salida unipolares y
bipolares del amplificador lineal para diferentes ganancias. Se determinaron, además de la amplitud
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del pulso correspondiente al rayo 511 keV del 22Na para cada ganancia el rise time y el decay time
de los mismos. Durante las medidas se utilizó un ajuste de shaping time de 0,25. Los resultados
obtenidos fueron:
Pulso unipolar:
Rise time: ~0,5 S
decay time: ~ 1 S
Ganancia: 10
Ganancia: 30
Ganancia: 100
amplitud: 0,34 V
amplitud: 1,10 V
amplitud: 3,20 V
Para ganancias mayores, la señal saturaba. Los resultados obtenidos para la señal bipolar fueron
exactamente los mismos. La forma de los pulsos de salida del amplificador son similares a los
mostrados en la Figura 7.
5 - 3 - El discriminador.
El discriminador es un módulo electrónico que da una señal lógica de salida sólo si el pulso
lineal de entrada es mayor que un cierto nivel. El valor del nivel puede ser escogido mediante un
hellipot ubicado en el frente del módulo. También es posible, de la misma manera, ajustar el ancho
de la señal de salida.
El principal uso del discriminador es bloquear las señales de baja amplitud (ruido)
provenientes del fotomultiplicador o el amplificador. Los “buenos” pulsos son entonces separados
del ruido y convertidos en pulsos lógicos (ver Figura 10). En este aspecto, el discriminador actúa
esencialmente como un conversor analógico - digital.
El discriminador presenta dos pulsos de salida, uno lento positivo y otro negativo y rápido.
Precisamente, estos pulsos son los que se trataron de ver con el osciloscopio.
Figura 10: Esquema del funcionamiento de un discriminador: sólo las señales cuyas amplitudes
son mayores que el nivel de corte prefijado dan un pulso de salida.
5 - 3 - 1 - Salida del discriminador: resultados obtenidos.
En este caso se trató de observar los pulsos de salida del discriminador, tanto los positivos
como los negativos, y estudiar el corte que este módulo realiza. Se observó, que en concordancia
con lo esperado, cuando el nivel de corte estaba en cero, en el osciloscopio aparecía todo el espectro
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del 22Na. A medida que el se aumentaba el valor del nivel de corte, las señales de menor amplitud
desaparecían progresivamente, hasta llegar un punto en el cual el espectro desaparecía
completamente (el nivel era tal que no había pulsos por encima del corte, y por lo tanto no había
señal de salida).
Los resultados obtenidos para lo pulsos fueron:
Pulso de salida positivo:
Amplitud: 6 V
Ancho total: 0,5 S
Pulso de salida negativo:
Amplitud: -1,5 V
Ancho a la altura media: 10 nS
En la Figura 11 se muestran estos pulsos.
Figura 11: Pulsos lógicos de salida del discriminador.
5 - 4 - El analizador monocanal (SCA).
El analizador monocanal (SCA) o discriminador diferencial es un dispositivo que, a
semejanza del discriminador, tiene un nivel inferior de corte. La diferencia es que también presenta
un nivel superior. Este módulo dará como salida una señal lógica sólo si el pulso lineal de entrada
tiene una amplitud que cae entre estos niveles (figura 12).
La diferencia entre los niveles superior e inferior se denomina “ventana”. En el caso de los
detectores cuya salida es proporcional a la energía, el SCA puede ser usado para determinar
espectros de energías eligiendo una ventana estrecha, registrar el contaje y luego sistemáticamente
moverla a lo largo del rango de amplitudes. El número de cuentas por unidad de tiempo en cada
posición es luego graficado para obtener el espectro.
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Figura 12: esquema del funcionamiento de un SCA: sólo hay un pulso de salida cuando la amplitud
de la señal lineal de entrada está comprendida entre los niveles superior e inferior.
Un SCA tiene tres modos de operación:
 Modo normal: En este modo, los niveles superiores e inferiores pueden ajustarse independientemente uno de otro. En otras palabras, la posición del nivel superior no se ve afectada por la del
inferior. En este modo de trabajo debe cuidarse de no colocar el nivel inferior por encima del
superior.
 Modo ventana: En este modo la posición de los niveles no es independiente uno de otro, ya que
una vez seteado el nivel inferior, con el superior se establece el ancho de la ventana. Si se mueve el
nivel inferior, el superior se mueve solidario con este, manteniendo el ancho de la ventana.
 Modo integral: En este caso, el nivel superior no existe, de modo tal que el SCA se comporta
como un discriminador, con un único nivel (el inferior) ajustable. El número de señales que pasan
es entonces la integral de todos los pulsos desde el corte hasta el máximo límite del SCA.
Al igual que el discriminador, el SCA tiene dos tipos de señales, uno lento positivo y otro
negativo y rápido.
5 - 4 - 1 - Salida del SCA: resultados obtenidos.
Esta parte de la experiencia fue muy similar a la anterior. Primeramente se estudiaron los
tras modos de operación del SCA . Para esto se mandó al canal 1 del osciloscopío la salida unipolar
del amplificador, mientras que la bipolar se la envió al SCA. La salida positiva del SCA se conectó
al canal 2 del osciloscopio, de manera tal de poder ventanear el rayo de 511 keV del 22Na. El
ventaneo se realizó con los tres modos. Es de destacar que el SCA produce un retardo de
aproximadamente 100 nS entre la señal de entrada y salida. Por lo tanto, la señal lógica del SCA
llega en coincidencia al osciloscopío con el pulso unipolar del amplificador (el SCA posee además
un retardo variable para lograr esta coincidencia). Debemos destacar que el ventaneo no se pudo
realizar con la señal negativa.
Los pulsos observados tenían las siguientes características:
Pulso de salida positivo:
Amplitud: 6 V
Ancho total: 2 S
Pulso de salida negativo:
Amplitud: -1,5 V
Ancho a la altura media: 0,25 S
En la Figura 13 se muestran estos pulsos.
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Figura 13: pulsos de salida del SCA.