Lidya Amon SUSAM - Veri Toplama Sistemleri

Veri Toplama Sistemleri
Lidya Amon Susam
İstanbul Üniversitesi
10-15 Eylül 2013
IX. UPHDYO – Bodrum;Türkiye
İÇERİK
• NÜKLEER YAPI FİZİĞİ ARAŞTIRMALARI
• ELEKTRONİK VERİ TOPLAMA SİSTEMİ
ŞEMASI
• SPEKTROSKOPİ SİSTEMİ İÇİN
KOMPONENTLER
• SONUÇ
NÜKLEER FİZİK
• Teorik
NSM, Nilsson model, IBA,
etc.....
• Deneysel
- Düşük enerjili deneyler
nükleer yapı, nükleer
astrofizik ve uygulamalı
nükleer fizik
- Orta enerjili deneyler –
bağlı seviyelerin kuark ve
nükleon dinamiği için
- Rölativistik ağır iyon
deneyleri nükleer
maddeyi araştırmak için
ÖRNEK SPEKTRUM
Kararlı Çekirdekler ve Uzun Ömürlü
Olan Çekirdekler (Kararlılık Eğrisi)
Bilinen Çekirdekler
Keşfedilmemiş
Bölge
Nötron
yıldızları
Y. Oktem et al., Phys. Rev. C 86, 054305 (2012)
192Au
Y. Oktem et al., Phys. Rev. C 86, 054305 (2012)
ELEKTRONİK VERİ TOPLAMA
SİSTEMİ ŞEMASI
Radyoaktif Bozunma Kanunu
• Saf bir radyoaktif numunenin zamanla bozunma hızı üstel kanuna
uyar.
• Radyoaktiflik tüm numunede değil, tek tek atomlarda değişikliği
temsil eder.
• Eğer bir t anında N radyoaktif çekirdek varsa ve numuneye yeni
çekirdekler ilave edilmiyorsa dt süresi içinde bozunan dN çekirdek
sayısı, N ile orantılıdır:
dN(t)   λ N(t) dt
(dN/dt)
λN
Burada , bozunma veya parçalanma sabitidir. Denklemin sağ tarafı bir
atomun birim zamanda bozunma olasılığıdır, yani bu olasılık, atomun yaşı
ne olursa olsun sabit olup radyoaktif bozunmanın istatistiksel teorisinin
temel varsayımıdır. Eksi işareti N nin zamanla azaldığını gösterir.
Basit Bir Dedektör Modeli
Dedektörün üzerine düşen radyasyonu
algılayabilmesi için gelen radyasyonla etkileşime
girmesi gerekir.
Bu etkileşim süresi (durdurma zamanı) şu şekilde
formüle edilmiştir.
Bu süre çok kısa olup örneğin;
Gazlı dedektörler için ; Nano Saniye
Katı dedektörler için : Pico Saniye
mertebesindedir.
T = Durdurma Zamanı
mA = Parçacık kütlesi
E = Parçacığın Enerjisi
R = Parçacık türüne ve enerjisine
göre belirlenmiş bir sabit
10
SPEKTROSKOPİ SİSTEMİ İÇİN
KOMPONENTLER
•
•
•
•
•
•
•
•
Kablolar, Kablo bağlantı uçları, NIM Modüller
Pre Amplifikatör
Amplifikatör
ADC
MCA
TAC
Diskriminatör
Coincidence Devresi
KABLOLAR
• KOAKİSYEL KABLO
• İlk olarak 1880 yılında İngiltere’de patent altına alınmış olup çok
çeşitli alanlarda kullanım bulmuştur.
• Başlıca TV yayınlarının iletimi, CCTV bağlantısı, ethernet
bağlantıları, telekomünikasyon uygulamaları ve NIM bağlantılarında
geniş bir ölçüde kullanılmıştır.
• Kullanım alanlarına göre farklı empedansa sahiptirler.
• RG-58 = 50 Ohm
• RG-62 = 93 Ohm (genel olarak radyasyon ölçüm sistemlerinde bu
kullanılır.)
• En önemli özelliği dış örgüsü nedeniyle (Faraday kafesi nedeniyle
dışarıdaki Elektrik alan içeriye etki edemez) gürültüyü engelleyen
dizaynıdır.
• Düşük akım ve voltajlı sistemlerde veri iletimi için idealdir.
•
•
•
•
•
KOAKSİYEL KABLO KESİTİ
A: Plastik dış koruma
B: Dokuma Bakır zırh
C: Dielektrik yalıtkan
D : Bakır tel
BNC bağlayıcı
•Koaksiyel kablolar için kullanılır.
•Hızlı bir bağla/sök RF bağlayıcıdır.
•Çeyrek dönüşle bağlantı sağlanır.
Bayonet mount
sistem
NIM
• NIM kelimesi = Nuclear Instrument Modules kelimelerinin
kısaltmasından oluşmaktadır. Standartları ilk olarak
1968’de yayımlanmıştır.
• İlk etapta birkaç komponent için hazırlanmış fakat daha
sonra genişletilerek bu alanda kullanılan her bir
komponent, kablolar ve bağlantı uçları da dahil olmak
üzere NIM standartına eklenmiştir.
• 6, 12, 24 V DC veya 117 V AC de çalışmaktadır.
• 50 Ohm empedans altyapısını kullanmaktadır.
• Komponentlerin Nim Bin üzerinden haberleşme imkanı
yoktur.
NIM BIN/CRATE
• Kutu/kasa
ÖN YÜKSELTEÇ –
PREAMPLİFİKATÖR
- Dedektörden gelen zayıf sinyali 10 - 100 mV mertebesine kadar güçlendiren
amplifikatördür.
Preamplifikatör (Preamplifier)
Gelen sinyalin Amplifier’in algılayabileceği seviyeye
ulaştırılması gerekmektedir.
1- yük hassas
2- akım hassas
3- gerilim hassas
• Yük hassas pre-amp: yarıiletken detektörler için kullanılması
uygundur. Buradaki temel düşünce giriş pulsı ile taşınan tüm
yükün br Cf üzerine toplanmasıdır. Çıkış sinyali daima V0=-Q/Cf
olur.
• Akım hassas pre-amp: çok düşük empedanslı cihazlarla
kullanılmak zorundadır ve bu nedenle yüksek empedanslı
nükleer fizik cihazlarına uyum göstermezler.
• Gerilim hassas pre-amp: kullanımı daha geniştir. Radyasyon
detektörleri yük üretirler. V=-Q/Ctot
ile detektör ve giriş
devresinin toplam kapasitif etkisini kullanarak bu yük bilgisi
gerilim bilgisine çevrilebilir. Böylece detektör ve giriş devresinin
sığasının sabit kalması da önem kazanır. Bu tip bir pre-amp’ın
yarıiletken detektörle kullanılması uygun olmaz. Çünkü
yarıiletken malzemenin kapasitansı sıcaklığın bir fonksiyonudur.
• Tipik bir preamplifikatör çıkışı birkaç 10 veya 100 milivolttur bu
nedenle de tek başına sayılmak için oldukça küçüktür.
YÜKSELTEÇ – AMPLİFİKATÖR
Önyükselteçten gelen mV mertebesindeki sinyali 10 V mertebesine yükseltir.
Amplifikatör
• Amplifikatör, gelen sinyale daha fazla kazanç
sağlar ve bu sinyali diskriminatöre yollar.
• Amp. de voltaj kazancı en az 1000 kat artar ve
şekillenen lineer puls 0 - 10 V aralığındadır.
• Sinyal şeklinden bağımsız olmak için genelde
yük hassas amplifikatörler kullanılır.
Bir amplifikatör aynı zamanda otomatik olarak
bir şekillendiricidir. Her detektör düzgün dizayn
edilmiş amplifikatöre gereksinim duyar.
Bir çok amplifikatörün önemli bileşeni transistörlerdir.
Transistörün temel elamanları yarıiletkenlerdir. Yarıiletken zayıf bir iletkendir.
Örnek olarak; silikon. Silikon genelde saf halde bulunmaz başka meteryalden atomlar ona eklenir.
Saf silikonda, tüm atomlar komşularıyla mükemmel bağ kurarlar ve elektrik akımını iletecek hiç
serbest elektron kalmaz.
Fakat saflığı bozulmuş silikonlarda eklenen atomlar dengeyi bozar ve eklenen serbest elektron
veya yaratılan boşluklarla elektronlar içinden iletilebilir.
Elektrik yük, elektronlar bir boşluktan diğerine hareket ederken, ilerler.
İki tip yarı iletken var, N –tipi ve P- tipi. N- tipi ekstra elektron ve P-tipi ekstra boşluğa sahipler.
Burada ikikutuplu- birleşme transistörünün bir resmi var. Bu transistör 3 yarıiletken katmandan
oluşur.
ANALOG SİNYALİ DİJİTALE
DÖNÜŞTÜRÜCÜ – ADC
(Analog to Dijital Converter)
Analog Sinyal
Dijital Sinyal
ANALOG SİNYALİ DİJİTALE
DÖNÜŞTÜRÜCÜ – ADC
(Analog to Dijital Converter)
• Analog Sinyal:
• Karakteristiklerinden (voltaj / akım) bir ya da birkaçının
sürekli değişimi yoluyla bilgi taşır.
• Dedektörde oluşan sinyalin (puls) genliği algılanan
parçacığın enerjisi ile orantılıdır. Sinyal yüksekliği ile
enerji arasında lineerlik vardır.
• Buda MCA’da sinyalleri enerjilerine göre ayırıp bir
spectrum oluşturmamızı sağlar.
• Dijital Sinyal :
• Analog sinyaldeki sonsuz duruma sahip sinyalin sonlu
sayıda duruma sahip olmasını sağlarsak kuantalı, diğer
bir deyişle dijital sinyal elde etmiş oluruz.
• Örnek olarak, Geiger Müler sayacının çıkış sinyali buna
bir örnektir; sinyal vardır ya da yoktur.
• Bu da radyasyonun detekte edilip edilmediğine karşılık
gelir.
• Sinyalin var ya da yok olması 0 ve 1 sayılarıyla ifade
edilir.
• Belli bir akım değeri arasında çalışıldığında, akım
geçmesi durumunda 1 ve akımın geçmemesi durumunda
0 değerini alır.
ÇOK KANALLI ANALİZÖR
• 128 / 256 / 1024 / 2k / 4k / 8k / 16k kanala
sahip olabilir.
• Kanal sayısı ne kadar fazla ise grafik
çözünürlüğü o kadar fazla olacaktır.
• Giriş sinyallerini genliklerine göre kanallara
(Enerjilerine) ayırır.
• Bu şekilde ayrılmış sinyaller bir spektrum
oluşturabilir.
ZAMAN GENLİK
DÖNÜŞTÜRÜCÜSÜ - TAC
(Time to Amplitude Converter)
• Başlat ve bitiş sinyalleri arasındaki zamanla
genliği orantılı bir çıkış sinyali üretir. İki lojik
sinyal arasındaki zaman farkı ile orantılı genliğe
sahip bir sinyal üreten devredir.
• Bir başlat sinyali, bir kondansatörün sabit bir
şekilde bozunmaya başlamasını sağlar ve bitir
sinyali de bu deşarjı durdurur. Bu şekilde
toplanıp, boşaltılan yük miktarı zaman aralığı ile
orantılıdır.
DİSKRİMİNATÖR
• Integral Diskriminatör :
• Sinyalleri düzgün olarak sayabilmek için
şekillenmiş lineer sinyallerin logic sinyallere
dönüştürülmesi gerekmektedir.
• Integral diskriminatör bu iş için kullanılan en
basit birimdir ve eğer lineer giriş sinyal genliği
belirlenmiş diskriminatör seviyesinden fazlaysa
bir logic çıkış palsı üretir.
• Eğer giriş sinyal genliği diskriminatör
seviyesinden alttaysa bu durumda çıkış
oluşmaz. Diskriminatör seviyesi bir ön-panel
kontrolüyle ayarlanabilir.
• - Seviye sistem gürültüsünün üzerine
ayarlanır, dolayısıyla her boyuttaki
detektör sayımı için max. hassaslık
gerçekleştirilir. İntegral diskriminatör giriş
sinyallerinin 0-10 Volt aralığındakileri kabul
etmek için dizayn edilmiştir.
• Diferansiyel Diskriminatör (SCA, Tek Kanallı
Analizör) :
• İki bağımsız seviye içeren başka bir lineer-logic
dönüştürücüsüdür ve dönüşüm işlemi sadece giriş sinyali
ayarlanan iki seviye arasındaysa gerçekleşir.
• SCA’ların bir çoğunda yüksek seviye diskriminatörün
kapanarak düşük seviyeler tarafından kontrol edilen bir
basit integral diskriminatör olarak kullanılması özelliği
vardır.
• Giriş sinyallerinin tipik olarak 0.5 – 10 mikrosaniye
genişlikli ve 0-10 Volta genişletilmiş olarak
şekillendirilmeleri amaçlanır.
COINCIDENCE DEVRESİ
Farklı kanallardan gelen verileri belirli mantık koşullarına göre süzen devredir.
SONUÇ
• Nükleer Fizik çalışma alanları
• Spektroskopi bileşenleri
• Elde edilen spektrum örnekleri
TEŞEKKÜRLER