Il principio di funzionamento di un digitalizzatore d’onda è lo stesso dell’oscillo- scopio digitale: quando si genera un segnale di trigger, un certo numero di cam- pioni viene salvato in memoria (buffer). Una schematizzazione di tale processo è visibile in Figura 3.4.
Figura 3.4: Rappresentazione della digitalizzazione del segnale e della finestra di acquisizione definita dal trigger.
Il digitalizzatore DT5780M della ditta CAEN s.p.a.1 (visibile in Figura 3.5),
1É una ditta con sede a Viareggio (LU) fondata nel 1979 da un gruppo di ingegneri dell’INFN. Gioca un ruolo importante nel mercato delle apparecchiature elettroniche per gli esperimenti di Fisica Nucleare e non solo. I prodotti della CAEN sono presenti in numerosi ed importanti laboratori di tutto il mondo.
3.2. DIGITALIZZATORE DT5780M 49 unisce tutti i componenti principali in un unico elemento chiamato Field Pro- grammable Gate Array (FPGA) [27].
Figura 3.5: Il digitalizzatore DT5780 della ditta CAEN. A sinistra si vede la parte frontale e a destra il retro dello strumento.
Il vantaggio delle tecniche basate sulla FPGA (Figura 3.6) sta nel fatto che l’utente può cambiare i parametri di readout in base alle caratteristiche del rivela- tore e misurare quindi diversi tipi di radiazione con rivelatori differenti utilizzando però lo stesso hardware.
Figura 3.6: Diagramma a blocchi di un digitalizzatore basato sulla tecnologia FPGA. Il massimo numero di bins (o canali) a disposizione è dato dalla risoluzione dell’ADC. Ad esempio, una risoluzione di 14 bit permette la generazione di uno spettro con 16384 canali.
L’algoritmo implementato nella FPGA si basa sul filtro trapezoidale di Jorda- nov [28] [29] [30] ed è chiamato Digital Pulse Processing for Pulse Height Analysis (DPP-PHA). Questo è un filtro in grado di trasformare il tipico segnale con de- cadimento esponenziale, generato da un preamplificatore sensibile alla carica, in un trapezoide la cui altezza è proporzionale all’ampiezza dell’impulso in input (il quale a sua volta è proporzionale all’energia rilasciata dalla particella nel rivela- tore). In pratica, il trapezoide ha lo stesso ruolo dello Shaping Amplifier nella catena analogica tradizionale.
Di seguito verranno brevemente descritte alcune componenti integrate all’in- terno della FPGA e schematizzate in Figura 3.7.
Figura 3.7: Diagramma a blocchi della catena di processo programmata all’interno della FPGA.
· Decimator: è un filtro che può essere utilizzato nel caso in cui il segna- le sia particolarmente debole. L’effetto è quello di scalare la frequenza di campionamento di un fattore 2, 4 oppure 8. Potrebbe anche dare dei be- nefici in termini di riduzione del rumore, poichè genera un nuovo campione effettuando una media tra un certo numero di campioni.
· Timing and Trigger Filter (TTF): dopo il decimator si trova un filtro di timing e triggering. Questo consiste in un filtro del tipo RC-CR2 che
permette la derivazione del segnale come mostrato in Figura 3.8.
Figura 3.8: In questa figura si vede l’effetto del filtro RC-CR2 sul segnale in input.
Il principio di funzionamento è relativamente semplice. Si stabilisce una soglia (threshold) e si considerano soltanto quei segnali che la oltrepassano; il trigger scatta nel momento in cui il segnale attraversa la baseline (detto zero-crossing). A questo punto si va a calcolare l’intervallo temporale che intercorre tra due trigger che corrispondono agli zero-crossing di due segnali consecutivi.
3.2. DIGITALIZZATORE DT5780M 51 · Filtro Trapezoidale (o Filtro Energetico): come già accennato, que- sto filtro trasforma il segnale esponenziale in uscita dal preamplificatore sensibile alla carica in un segnale a forma trapezoidale la cui ampiezza è proporzionale all’energia rilasciata dalla particella nel rivelatore. Dal mo- mento che l’energia viene valutata in corrispondenza della regione piatta del trapezoide, è opportuno verificare che tale regione sia effettivamente piatta. In caso contrario vanno apportate le dovute correzioni.
Va sottolineato anche che è necessario fare un giusto compromesso tra l’esi- genza di ottimizzare la risoluzione energetica, che richiederebbe di estendere il tempo totale di formazione (dato dalla somma di rise time, flat top e decay time) e la capacità di sostenere alti ritmi di conteggio limitando gli effetti di pile-up, che invece richiede la minimizzare del tempo di formazione. La schematizzazione di tutto il processo, dal segnale di input al calcolo dei massimi dei trapezoidi, è riportata in Figura 3.9.
Figura 3.9: In questa figura, in modo semplificato, sono rappresentati: in blu gli impulsi in uscita dal preamplificatore, in rosso i segnali in uscita dal TTF ed in verde quelli in uscita dal filtro trapezoidale.
Il segnale di input (a) viene derivato attraverso il TTF che opera attraverso un filtro RC-CR2 e si trasforma come mostrato in figura (b). Qui, ogni
volta che il segnale oltrepassa la threshold, il trigger viene “armato” (c) per poi essere “rilasciato” (d) quando il segnale oltrepassa il punto di zero- crossing. A questo punto viene effettuato il filtro trapezoidale (e) e vengono calcolate le ampiezze (f) che corrispondono ai picchi dei segnali iniziali.
· Baseline Restoration: l’ampiezza del trapezzoide corrisponde all’altezza del flat top. Si effettua un continuo campionamento della baseline che viene interrotto quando inizia la rampa di salita del trapezoide. A queesto punto si fa una media dei valori di campionamento così da eliminare le fluttuazioni. Lo stesso procedimento si applica al flat top: si campiona e si fa una media. La differenza tra le due medie così ottenute fornisce una stima dell’ampiezza del trapezoide. Terminata questa operazione, dopo la rampa di discesa, ricomincia il campionamento continuo della baseline fino alla successiva rampa di salita di un altro trapezoide (che ovviamente corrisponde ad un altro segnale). Un’altra opzione è quella di effettuare il campionamento della baseline una sola volta, all’inizio, per poi mantenerla “congelata” per tutto il processo (lo si fa impostando un valore di Baseline Hold-off utile nei casi di campionamento ad alta frequenza). Questo lo si può fare se si assume che la baseline rimanga costante e non subisca variazioni.
· Rimozione del pile-up: se due impulsi consecutivi sono separati da un intervallo di tempo inferiore a quello di formazione del trapezoide, allora i relativi trapezoidi si sovrappongono. Tale sovrapposizione può avvenire in tre modi, rappresentati in Figura 3.10:
Figura 3.10: Effetto della sovrapposizione dei trapezoidi nei tre diversi casi. · La “rampa di salita” del secondo trapezoide si sovrappone alla rampa
di discesa del primo trapezoide: in questo caso l’ampiezza di entrambi non è affetta dal fenomeno di pile-up e le energie posso essere calcolate. · Il secondo trapezoide inizia in corrispondenza della rampa di salita o del flat top del primo trapezoide. In questo secondo caso i due eventi vengono riconosciuti separatamente ma si perdono le informazioni sulle ampiezze e le energie, che vengono poste a 0.
3.3. RIVELATORI DI RAGGI X 53