II Encontro do Projeto Neutrinos Angra

Transcrição

1 Eletrônica de front-end e teste de PMT s no CBPF II Encontro do Projeto Neutrinos Angra Laudo Barbosa, Rogério Machado (10 de Dezembro, 2007) 1

2 V(t) 30µs evento PMT cintilador sinal t 2

3 Sinal típico na saída da PMT (Hamamatsu R5912) Sinal visto por um osciloscópio digital com banda 100MHz, terminação 50Ω : tempo de subida 15ns, duração 30ns (FWHM) Distribuição em Amplitude Ruído Distribuição das amplitudes de pulso observadas quando a PMT é iluminada por feixe de intensidade muita baixa ( single photoelectrons) Contagem PMT+LED (single photoelectron) HV 1230V eventos Amplitude (mv) 3

4 Características e requisitos para a eletrônica de front-end baseline V(t) t I = Q t Q = = t R Vi R i ( V baseline) i - A carga elétrica liberada por evento é obtida por integração do sinal observado; - Ruído na faixa de 1mV; - Sinal de foto-elétrons com amplitude de 4mV próximo do ruído; - Tempo de subida + duração do sinal 30ns banda passante larga; - Eventos cósmicos podem gerar milhares de foto-elétrons faixa de entrada larga; - Sinais amostrados por um ADC a uma taxa de 100 MSPS amostragens a cada 10ns; É necessário um circuito de baixo ruído e banda larga, que desempenhe as funções de: integrador, amplificador, modelador, filtro 4

5 Integrador R f C f C 1 C 2 - R 1 + R 2 v Circuito básico 1 = out R 1 Cf v in dt O resistor R f tem função de descarregar o capacitor, e tem influência sobre o shaping Pode-se mostrar que, para ganho alto do ampl. op. e C f pequeno, a amplitude de saída só depende da carga coletada no detector C 1 e C 2 >> C f e C D (=capacitância da PMT) R 2 é a carga equivalente ao próximo estágio de processamento Foram considerados dois Ampl. Ops. em simulação: OPA657 da HP (circuito #1) e AD9617 da AD (circuito #2) 5

6 Simulação do estágio básico para os circuitos #1 e #2 1m OPA657 - Integrating stage 1.0m AD Integrating stage 500µ 500.0µ Amplitude (V) 0-500µ Input signal Out_1 (RC = 80ns) Out_2 (RC = 40ns) Amplitude (V) µ Input signal RC = 80ns RC = 40ns Out_3 (RC = 26.6ns) RC = 26.6ns -1m Out_4 (RC = 20ns) -1.0m RC = 20ns 0 100n 200n 300n 400n 500n Time (s) 0 100n 200n 300n 400n 500n Time (t) 6

7 Efeito de R f sobre a forma do sinal 0 OPA657 - Integrating stage (Feedback resistor shaping effect) R f = 10KΩ 0.0 AD Integrating stage (Feedback resistor shaping effect) R f = 100Ω -200µ µ Amplitude (V) -400µ -600µ R f = 100KΩ Amplitude (V) µ µ R f = 1KΩ -800µ µ R f = 10KΩ -1m R f = 10MΩ -1.0m 0 100n 200n 300n 400n 500n Time (s) 0 100n 200n 300n 400n 500n Time (s) R 2 = (resistor de carga) = 1KΩ R 2 = (resistor de carga) = 1KΩ C f = 10pF C f = 1nF O produto R f C f define uma constante de tempo 7

8 Efeito do resistor de carga, R 2, sobre a forma do sinal 0 OPA657 - Integrating stage (Driving capability) 1Ω load 0 AD Integrating stage (Driving capability) 1Ω load -200µ -200µ Amplitude (V) -400µ -600µ Amplitude (V) -400µ -600µ 50Ω load -800µ 50Ω load -800µ 1KΩ load -1m 1KΩ load -1m 0 100n 200n 300n 400n 500n 0 100n 200n 300n 400n 500n Time (s) Time (s) O produto R 2 C 2 define uma constante de tempo de diferenciação R 2 representa a carga avalia a capacidade do ampl. op. como driver 8

9 Integrador + Amplificador Para um ADC com taxa de amostragem 100MHz e fundo de escala ±1V: Time bin: 10ns O sinal deve ser alargado para ser bem amostrado Fator de ganho 250 é necessário para levar um foto-elétron ao meio da escala Solução clássica: estágio de ganho com ampl. op. R f R g C f C 1 C - 2 R 1 + R2 R C 3 R 4 R g Ganho = R 3 9

10 Limitação ganho x banda em amplificadores operacionais ganho frequência ganho x banda = constante Banda larga ganho baixo Ganho alto Banda estreita 10

11 Distorções devidas à limitação ganho x banda 0-300µ Input signal (circuit #1) 10 2 Op. Amp. #1 Op. Amp. #2-600µ -900µ Output amplitude (mv) 10 1 Amplitude (V) 0-300µ -600µ -900µ 300m 200m Input signal (circuit #2) Output #1 (gain 600) Output #2 (gain 600) Amplifier Gain 100m n 200n 300n 400n 500n Time (s) Concentrar todo o ganho em um estágio, além de distorcer a forma do sinal, gera ruído desnecessário: todas as componentes espectrais situadas dentro da banda passante são amplificadas com ganho alto, enquanto as componentes espectrais do sinal que estejam fora da banda passante são atenuadas. Ganho e banda do amplificador + composição espectral do sinal devem ser ajustados criteriosamente 11

12 Correção das distorções 0.3 Circuit #1 Circuit #2 Amplitude (V) RC = integrating stage Gain = n 200n 300n 400n 500n Time (s) Redução do produto RC no estágio integrador maior amplitude de saída O ganho do segundo estágio pode, portanto, ser proporcionalmente reduzido 12

13 Shaping - As constantes de tempo RC do circuito representam filtros de primeira ordem; - O efeito de shaping pode ser obtido por diferenciação (filtro passa-alta) e por integração (filtro passa-baixa); - O diferenciador e o integrador podem gerar efeitos como undershooting e overshooting - A solução final, para evitar uso de filtros mais complexos, é ajustar bem todas as constantes de tempo envolvidas e acrescentar um filtro passa-baixa para alargar o sinal Valores obtidos por simulação 13

14 Integrador + Amplificador + Modelador + Filtro R f R g C f C 1 C 2 - R 1 + R2 R C 3 R 4 R out C out Circuito não-inversor R f C f C 1 C 2 - R 1 + R2 R shape + - C 3 R 4 R out C out Circuito inversor R3 R g (*) Filtragem extra adicionada na saída para limitar a banda passante a 20MHz redução de ruído 14

15 Resultados (de simulação) Banda passante do pré (OPA657) (Entrada: senóide com amplitude 1mV) 1.4 Amplitude (V) Pot1 Pot1K Amplitude (V) Pot1 Pot1K Resposta do pré (OPA657) a um pulso rápido de 1mV (risetime = falltime = 20ns) 0 200n 400n 600n 800n 1µ Tempo [s] k 10k 100k 1M 10M 100M 1G Frequência (Hz) Banda passante do pré (AD9617) (Entrada: senóide com amplitude 1mV) Pot1 Pot1K Amplitude (V) Pot1 Pot1K Resposta do pré (AD9617) a um pulso rápido de 1mV (risetime = falltime = 20ns) Amplitude (V) n 400n 600n 800n 1µ Tempo [s] 1k 10k 100k 1M 10M 100M 1G Frequência (Hz) 15

16 Realização Projeto Protótipo 16

17 Teste de PMTs (*) medidas realizadas com uma das 03 PMTs Hamamatsu R5912 disponíveis 17

18 Projeto de uma câmera-escura escura para testes CÂMERA ESCURA 50 cm 40 cm Compensado, pintado em preto Espuma preta Sensor de luz 50 cm Cabos 18

19 Realização do projeto 19

20 Teste de Hermeticidade (controle de fuga de luz) Baixa tensão + - HV Alta tensão Câmera escura Pre-Amp Contador 20

21 Controle de fuga de luz Caixa no escuro 1253 contagens/s Caixa sob luz 1250 contagens/s 21

22 Levantamento do Plateau (faixa de tensão para operação do PMT) Pulsador para LED Baixa tensão + - HV Alta tensão Câmera escura Pre-Amp Contador 22

23 Resultados 50 medidas para cada valor de tensão Nível de discriminação no contador: 100 mv Contagens no escuro Contagens com LED 23

24 Plateau range: 1200 V 1250 V Tensão de operação centro do plateau Valor encontrado: 1225V Valor anunciado pelo fabricante: 1230V 24

25 Levantamento do espectro para Single Photoelectron Pulsador para LED Baixa tensão + - HV Alta tensão Câmera escura Pre-Amp Osciloscópio PC Pulsos no LED LED Sinal na PMT R PMT 25

26 Aquisição de dados -Aquisição de sinais através de interfaces: serial (osciloscópio) paralela (MPD) ou USB (em desenvolvimento) - Ambiente de programação atual: Borland C++ (Windows) - Programação em Linux (ROOT) em desenvolvimento 26

27 Resistor do limitação de corrente no LED =1kΩ Trigger bifurcado do sinal do LED (LED verde) Frequência - 60 khz, Amp 2,00 V, offset 1,00V e largura 49,0 ns Comunicação via porta serial Medidas I Sinal direto da PMT (Pico em 4,00 mv} Sinal pre-amplificadopico em = 256 mv 27

28 Medidas II (LED s: verde, azul, vermelho) Resistor do limitação de corrente no LED =1kΩ Trigger bifurcado do sinal do LED Frequência dos pulsos khz, largura 15 ns Amplitude: 7.00V (azul) 4.00 (verde), 3.04 (vermelho) LED VERDE (3,6 mv) LED AZUL (3,5 mv) LED VERMELHO (2,9 mv) 28

29 Medidas III (LED s: verde, azul, vermelho) Resistor do limitação de corrente no LED =50Ω Trigger obtido no gerador que alimenta o LED (sem bifurcação de sinal) Frequência dos pulsos - 2MHz, largura 8 ns ( aquisições mais rápidas) Amplitude: 2.15V (azul) 1.35V (verde), 1.30V (vermelho) LED VERDE (3,1 mv) LED AZUL (3,0mV) LED VERMELHO (3,6 mv) 29

30 Estimativa do ganho da PMT HV = 1230 V Amplitude média: 3,1 mv Duração 25 ns Terminação 50Ω Ganho (carga medida) / (carga de um elétron) = µ µ = V t e R GANHO ESTIMADO µ = (anunciado pelo fabricante: 10 7 ) 30

31 Variação do ganho com a tensão de operação Resistor do limitação de corrente no LED =50Ω Trigger obtido no gerador que alimenta o LED (sem bifurcação de sinal) Frequência dos pulsos - 2MHz, largura 8 ns ( aquisições mais rápidas) Amplitude: 1.35V (verde) 31

32 Ganho estimado x alimentação Posição do pico (em mv) x tensão de alimentação Ganho estimado x tensão de alimentação (*) Comportamento não-linear, conforme o esperado 32

33 Status, conclusões, perspectivas Montagem experimental pronta, tomando dados da câmera escura; Obtenção do espectro de Single Photo-Electron (usando LEDs); Circuito pré-amplificador protótipo montado; Alguns procedimentos de medidas já implementados; Programa de aquisição de dados: migração de Windows para Linux; Comunicação com portas serial e USB em desenvolvimento; Para o futuro próximo: aumentar a velocidade da aquisição de dados, realizar outras medidas de caracterização (ex: linearidade, saturação) 33