R - CBPF

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
V(t)
≈ 30µs
evento
PMT
cintilador
t
sinal
2
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
200
PMT+LED (single photoelectron)
HV 1230V - 14000 eventos
Contagem
Distribuição das amplitudes de
pulso observadas quando a
PMT é iluminada por feixe de
intensidade muita baixa
( ⇒ single photoelectrons)
100
0
4
8
12
Amplitude (mV)
3
Características e requisitos para a eletrônica de front-end
V(t)
I=
∆Q
∆t
⇒Q=
baseline
= VRi
∆t
R
∑ (V − baseline)
i
i
t
- 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
Integrador
Rf
Cf
C1
C2
R1
+
R2
Circuito básico
vout= − R 1C ∫ vindt
1 f
• O resistor Rf tem função de descarregar o capacitor, e tem influência sobre o shaping
• Pode-se mostrar que, para ganho alto do ampl. op. e Cf pequeno, a amplitude de saída só
depende da carga coletada no detector
• C1 e C2 >> Cf e CD (=capacitância da PMT)
• R2 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
Simulação do estágio básico para os circuitos #1 e #2
1.0m
1m
AD9617 - Integrating stage
OPA657 - Integrating stage
500.0µ
Amplitude (V)
Amplitude (V)
500µ
Input signal
0
Out_1 (RC = 80ns)
Out_2 (RC = 40ns)
-500µ
Input signal
0.0
RC = 80ns
RC = 40ns
-500.0µ
RC = 26.6ns
Out_3 (RC = 26.6ns)
RC = 20ns
Out_4 (RC = 20ns)
-1m
0
100n
200n
Time (s)
300n
400n
-1.0m
500n
0
100n
200n
300n
400n
500n
Time (t)
6
Efeito de Rf sobre a forma do sinal
OPA657 - Integrating stage
(Feedback resistor shaping effect)
0
AD9617 - Integrating stage
(Feedback resistor shaping effect)
0.0
Rf = 100Ω
Rf = 10KΩ
-200.0µ
Amplitude (V)
Amplitude (V)
-200µ
-400µ
-600µ
Rf = 100KΩ
-400.0µ
-600.0µ
Rf = 1KΩ
-800.0µ
-800µ
Rf = 10KΩ
Rf = 10MΩ
-1m
0
100n
200n
300n
400n
-1.0m
500n
0
100n
200n
300n
400n
500n
Time (s)
Time (s)
R2 = (resistor de carga) = 1KΩ
R2 = (resistor de carga) = 1KΩ
Cf = 10pF
Cf = 1nF
O produto RfCf define uma constante de tempo
7
Efeito do resistor de carga, R2, sobre a forma do sinal
1Ω load
1Ω load
-200µ
Amplitude (V)
-200µ
Amplitude (V)
AD9617 - Integrating stage
(Driving capability)
0
OPA657 - Integrating stage
(Driving capability)
0
-400µ
-600µ
-400µ
-600µ
50Ω load
-800µ
-800µ
1KΩ load
50Ω load
-1m
-1m
1KΩ load
0
100n
200n
300n
Time (s)
400n
500n
0
100n
200n
300n
400n
500n
Time (s)
• O produto R2C2 define uma constante de tempo de diferenciação
• R2 representa a “carga” ⇒ avalia a capacidade do ampl. op. como driver
8
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.
Rf
Rg
Cf
C1
R1
+
C2
R3
-
R2
| Ganho | =
+
C3
R4
Rg
R3
9
Limitação ganho x banda
em amplificadores operacionais
ganho
frequência
ganho x banda = constante
Banda larga ⇒ ganho baixo
Ganho alto ⇒ Banda estreita
10
Distorções devidas à limitação ganho x banda
0
Input signal (circuit #1)
-300µ
-600µ
Op. Amp. #1
Op. Amp. #2
-900µ
2
Amplitude (V)
Output amplitude (mV)
10
1
10
0
Input signal (circuit #2)
-300µ
-600µ
-900µ
300m
Output #1 (gain 600)
Output #2 (gain 600)
200m
100m
0
10
0
0
10
1
2
10
10
Amplifier Gain
3
10
0
100n
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
Correção das distorções
Circuit #1
Circuit #2
0.3
Amplitude (V)
RC = 2.3ns @ integrating stage
Gain = 60
0.2
0.1
0.0
0
100n
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
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
Integrador + Amplificador + Modelador + Filtro
Rf
Cf
Rg
C1
R1
Circuito não-inversor
R3
C2
-
C3
-
+
R2
+
Rout
Cout
R4
Rf
Cf
C1
R1
+
Rshape
C2
+
R2
R3
C3
Circuito inversor
Rout
R4
Cout
Rg
(*) Filtragem extra adicionada na saída para limitar a
banda passante a 20MHz ⇒ redução de ruído
14
Resultados (de simulação)
1.8
0.0
Banda passante do pré (OPA657)
(Entrada: senóide com amplitude 1mV)
1.6
1.4
1.2
Pot1
Pot1K
Amplitude (V)
Amplitude (V)
-0.1
-0.2
Pot1
Pot1K
1.0
0.8
0.6
0.4
-0.3
Resposta do pré (OPA657) a um pulso rápido de 1mV
(risetime = falltime = 20ns)
0.2
0.0
-0.4
0
200n
400n
600n
800n
100
1µ
1k
10k
100k
1M
10M
100M
1G
Frequência (Hz)
Tempo [s]
Banda passante do pré (AD9617)
(Entrada: senóide com amplitude 1mV)
1.0
0.0
0.8
Pot1
Pot1K
Amplitude (V)
Amplitude (V)
-0.1
Pot1
Pot1K
-0.2
-0.3
0.6
0.4
0.2
-0.4
Resposta do pré (AD9617) a um pulso rápido de 1mV
(risetime = falltime = 20ns)
-0.5
0
200n
400n
Tempo [s]
600n
800n
1µ
0.0
1k
10k
100k
1M
Frequência (Hz)
10M
100M
1G
15
Realização
Projeto
Protótipo
16
Teste de PMTs
(*) medidas realizadas com uma das 03 PMTs Hamamatsu R5912 disponíveis
17
Projeto de uma câmera-escura para testes
CÂMERA ESCURA
≈40 cm
Compensado, pintado
em preto
≈50 cm
Espuma preta
Sensor de luz
≈50 cm
Cabos
18
Realização do projeto
19
Teste de Hermeticidade
(controle de fuga de luz)
Baixa tensão
+
-
HV
Pre-Amp
Alta tensão
Contador
Câmera escura
20
Controle de fuga de luz
(medidas @1230V)
Caixa no escuro →1253 contagens/s
Caixa sob luz → 1250 contagens/s
21
Levantamento do Plateau
(faixa de tensão para operação do PMT)
Pulsador para LED
Baixa tensão
+
-
HV
Pre-Amp
Alta tensão
Contador
Câmera escura
22
Resultados
50 medidas para cada valor de tensão
Nível de discriminação no contador: 100 mV
Contagens “no escuro”
Contagens com LED
23
Plateau range: 1200 V – 1250 V
Tensão de operação ≙ centro do plateau
• Valor encontrado: 1225V
• Valor anunciado pelo fabricante: 1230V
24
Levantamento do espectro para Single Photoelectron
Pulsador para LED
Baixa tensão
+
-
HV
Pre-Amp
Alta tensão
Osciloscópio
PC
Câmera escura
LED
Pulsos no LED
R
PMT
Sinal na PMT
25
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
Medidas – I
Resistor do limitação de corrente no LED =1kΩ
(LED verde)
Trigger bifurcado do sinal do LED
Frequência - 60 kHz, Amp 2,00 V, offset 1,00V e largura 49,0 ns
Comunicação via porta serial
Sinal direto da PMT (Pico em 4,00 mV}
Sinal pre-amplificadoPico em = 256 mV
27
Medidas – II
(LED’s: verde, azul, vermelho)
Resistor do limitação de corrente no LED =1kΩ
Trigger bifurcado do sinal do LED
Frequência dos pulsos - 500 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
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
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 = 0.97×107
(anunciado pelo fabricante: 107)
30
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
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
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