Instrumentação Nuclear
Roberto V. Ribas
Eletrônica NIM
(Nuclear Instrumentation Modules)
Cabos Coaxiais
Conformadores de Pulsos
Pulsos NIM
Pré-Amplificadores
Amplificadores
Analisador Mono Canal (SCA)
Módulos Lógicos
Contadores, Relógios e Medidores de Taxa
Geradores de Marca de Tempo
Conversor Tempo-Amplitude
Aquisição de Dados
Cabos Coaxiais
Cabos coaxiais são caracterizados pela impedância
característica e pela velocidade de propagação (tipo de
dielétrico). Em física nuclear usamos cabos de 50
e de
93 . A velocidade de propagação é em geral de cerca de
65% da velocidade da luz.
1. Cabos de 50 : pulsos rápidos
2. Cabos de 93 : pulsos lentos (a tendência atual é utilizar-se
cabos de 50 ohms para todos os tipos de sinais NIM)
3. Um pulso é rápido se o seu tempo característico de
subida ou descida multiplicado pela velocidade de
propagação for menor que o comprimento do cabo.

Cabo Coaxial RG58 (50 ohms)
Z=sqrt(L/C)
Perdas~0.17 dB/m
V~0.65c (20 cm=1
ns)
Ao se conectar um cabo de uma certa impedância
característica portando sinais rápidos, deve-se
certificar que o módulo que recebe o sinal tenha
impedância de entrada igual à impedância do cabo.
Módulos do padrão NIM para sinais rápidos têm
sempre impedância de entrada igual a 50 .
Osciloscópios têm em geral sua impedância de
entrada igual a 1 M . Para se observar sinais
rápidos NIM num osciloscópio, deve-se sempre
terminar a entrada com um resistor de 50 .
Cabos utilizados em sinais (baixa tensão, até 1
kV) empregam conectores BNC ou Lemo.
Cabos utilizados em altas tensões (1-5 kV)
empregam conectores SHV ou MHV (há também
conectores da série Lemo para alta tensão mas
ainda são pouco empregados em nosso
laboratório)
Conformadores de Pulsos
Na manipulação de sinais proveniente de
detectores, pelos módulos NIM, é em geral
necessário modificar a forma do pulso produzido
pelo detector. Os pulsos produzidos pelos
detectores de Si ou Ge, por exemplo, são
caracterizados por uma rápida subida e um
decaimento exponencial muito mais lento. Esta
forma de pulso não é adequada para análise, que
permitirá determinação da energia da partícula.
Circuitos diferenciadores e integradores RC são
utilizados nos amplificadores, para modificar a
forma do pulso produzido pelos detectores.
A integração é necessária
para coletar toda a carga
elétrica produzida no detector pela partícula.
A diferenciação pode ser
utilizada para eliminar a
parte lenta do pulso,
produ-zindo um pulso
rápido, capaz de caracterizar melhor o instante
de chegada da partícula
no detector.
Pulsos NIM
Analógicos: de 0 a 10V
 Saída de amplificadores, TAC. Podem ser
positivos ou negativos (em geral positivos)
Lógicos:
 NIM Lento ou NIM velho: Falso 0V Verdadeiro
5V (TTL a 50 ohms)
 NIM Rápido ou NIM novo: Falso 0V, Verdadeiro 0.7V (em 50 ohms)
Pré-Amplificadores
Detectores coletam uma quantidade de carga
proporcional à energia da partícula. O préamplificador sensível à carga deve transformar essa
quantidade de carga em um pulso, cuja altura (V) é
proporcional à quantidade de carga deixada pela
radiação no detector. Devem ainda incorporar o
circuito necessário para aplicar a tensão de
polarização (bias) no detector.
Para maximizar a relação sinal/ruído, os préamplificadores devem ser colocados o mais próximo
possível do detector. No caso de detectores de Ge
para raios gamas, o transistor FET é colocado dentro
do criostato do detector, à temperatura de N2 líquido.
Bastidor NIM
• Módulos NIM se alojam em um bastidor (BIN) que
fornece as tensões necessárias para o
funcionamento dos módulos. Bastidores mais
antigos fornecem +- 12V e +- 24V. Bastidores mais
novos fornecem também +-6V.
Amplificadores Espectroscópicos
Amplificadores espectroscópicos
são utiliza-dos em circuitos de
medição de energia. O sinal do
préampli-ficador é transformado por
sucessivas diferenciações e integrações em um pulso aproximadamente gaussiano, de altura ajustável entre 0 e 10V. As constantes de
tempo de integração e diferenciação
podem ser ajustadas em combinações denominadas tempo de conformação (shapping time), e que
variam entre cerca de 0.5 a 10 us.
Amp. Espectroscópico
Ortec
Ganho (grosso, fino)
Diferenciação (us)
Integração (us)
Polaridade Entrada
Forma Saída
Restauração da Linha de Base
Cancelamento de Polo-Zero
Formatação do Pulso
(Integração/Diferenciação)
Formas de Pulso Saída
Cancelamento de Pólo Zero
Restauração da Linha de Base
Rejeição de Empilhamento
Amplificadores Rápidos
Amplificadores com pequenas constantes de tempo de diferenciação e
integração (de dezenas a algumas
centenas de ns) são utilizados para
filtrar somente os componentes
rápidos dos pulsos produzidos pelos
detectores, para serem posteriormente utilizados em circuitos geradores de marca de tempo. (São
chamados Timming Filter Amplifiers).
Coincidências Temporais
Coincidência temporal: Partículas ou radiação
são detectadas simultaneamente em 2 ou mais
detectores.
Simultaneidade: Os sinais de dois detectores, ao
serem analisados nos módulos NIM, ocorrem com
uma certa diferença temporal entre eles.
Resolução: Dois eventos são simultâneos se
ocorrem dentro de uma janela temporal;
Geradores de Marca de
Tempo
Um discriminador de
nível mínimo é o mais
simples dos geradores de
marca de tempo,
produzindo um pulso
lógico quando o sinal
ultrapassa uma soleira
(threshold).
Variações na amplitude
dos pulsos e o ruído
sobreposto limitam a
resolução temporal.
Constante
(Constant Fraction Discriminator)
O efeito da variação de
amplitude pode ser
corrigido com a técnica de
CFD: O sinal original é
atenuado por uma fração f
e somado com o sinal
original invertido e
atrasado. O cruzamento
por zero é independente
de amplitude.
O método mostrado não
corrige para diferenças de
tempo de subida dos pulsos
(produzidos em regiões
diferentes no interior do
detector, principalmente
nos de grande volume)
Modo ARC: Amplitude and
Risetime Compensation
Ajuste da referência de zero (walk)
Analisador Mono-Canal:
(Single Channel Analizer)
Módulo
com
entrada
analógica e saída digital.
Saído quando na entrada
Vi estiver com sua altura
máxima entre dois valores
V1 e V2. (Modo Normal)
Saida
quando
Vi>V1
(Integral)
Saída quando Vi >DV, DV o
valor indicado no UL
(Window)
Instante de tempo do pulso
gerado depende de Vi
Saída gerada quando pulso atinge máximo
(derivada=0)
Timing SCA: Saída gerada quando valor máximo do
pulso de entrada cai por uma fração constante.
Conversor TempoAmplitude
Coincidência Rápido-Lento
Circuitos Lógicos (E, OU)
Medidor de Taxa (Rate Meter)
Aquisição de Dados
Detectores: Q a Energia
Pré-Amp: Integram a carga: V a Q
Amplificadores: Forma ~gaussiana
Aquisição de Dados: Analisadores de
altura de pulso.
Analizador Multicanal
Um conversor analógico digital converte a
altura do pulso em um
número binário C (04095, p.ex.)
O número de vezes N
que um dado valor
binário C ocorre é
armazenado na
posição de memória C
(canal de histograma).
Sistemas Bi-paramétricos
ADC-DE
Memória
NxN (ExDE)
ADC-E
Computador
Sistemas Multi-paramétricos
ADC-A
ADC-B
ADC-C
Formatador e
Sequenciador
De eventos
Computador
CAMAC
Computer Automated Measurement And
Control
Normas desenvolvidas no início da década de
70, para resolver os problemas crescentes de
complexidade dos sistemas de aquisição de
dados em Física Nuclear
Posteriormente adotado na automação
industrial.
NAF – Comando Camac
N (1-25) Estação: Posição do módulo no
Crate.
A (0-15) Sub-endereço: Um módulo
pode conter até 16 sub-módulos
idênticos.
F (0-31) Função: A função a ser
executada pelo módulo.
Algumas funções
F=(0-7): Leitura do Módulo
F=0, A=3:Leitura da entrada A=3
F=9 A=0: Clear Module
F=2 A=(0-6): Leitura do Módulo
F=2 A=7: Leitura e consecutivo Clear do
módulo.
Sinais de Controle
LAM (Look At Me): Sinal de atenção que um
módulo pode enviar expontaneamente ao
controlador (e este ao computador), avisando
que necessita atenção.
Resposta Q: Sinal lógico que um módulo
pode enviar ao controlador, avisando do
sucesso ou não na execução de uma função.
Resposta X: Sinal obrigatório, em que o
módulo confirma o recebimento de uma
função para ser executada.
VME e VXI
VME (Versa Module Eurobus)


Barramento de Computador
Módulos podem ser inteligentes
 CPUs, Memória, placas de rede, etc.
 Processamento distribuído/paralelo
VXI (VME eXtension for Instrumentation)
FIM