Signaalverwerking HISPARC

1. Signaalverwerking HISPARC • In deze handleiding komen een aantal aspecten met betrekking tot de signaalverwerking aan de orde. • Ten eerste wordt de werking van de scintillator en de photomultiplier geschetst. De photomultiplierbuizen geven pulsjes af met een breedte van ongeveer 5 nanoseconden. Bij zulke hoogfrequente signalen kan je geen gewone kabels gebruiken; de elektronica moet worden afgeregeld voor hoogfrequente signalen. Dit wordt in het tweede stuk van deze handleiding beschreven. Ten derde komt de werking van een oscilloscoop aan de orde en ten slotte wordt het afregelen van de detector besproken. • Meer lezen? : probeer de website, het boek van Leo, of de particle data group website (refs. volgen). H.J. Bulten VU/NIKHEF HISPARC elektronica handleiding 1

2. Scintilleren is het uitzenden van fotonen door atomen die in een aangeslagen toestand worden gebracht. Een scintillator bestaat uit materiaal (doorgaans een soort plastic) dat een doping bevat met atomen die zulke fotonen uitzenden. Als een geladen deeltje door scintillatormateriaal heen vliegt, maakt het elektronen vrij. In de meeste gevallen hebben deze elektronen energieen van rond de 50 eV, maar ook veel hogere energieen treden sporadisch op. Deze vrijgemaakte elektronen exciteren de scintillerende atomen, die terugvallen naar hun grondtoestand onder uitzending van fotonen (in ons geval blauw licht). De hoeveelheid energie, die een geladen deeltje gemiddeld verliest als het door materiaal heen vliegt, hangt af van de massa en energie van het deeltje en van de eigenschappen van het materiaal. Relativistische muonen, pionen en protonen verliezen typisch ongeveer 2 MeV (de energie die een deeltje met de lading van een elektron heeft bij een potentiaalverschil van 2 miljoen Volt) Omdat de energieafgifte een statistisch proces is meet je een distributie van pulsgroottes voor invallende deeltjes bij een gegeven energie (zie figuur), de zgn. Landau-distributie. Scintillatoren H.J. Bulten VU/NIKHEF HISPARC elektronica handleiding 2

3. Landau-distributie Kans op een bepaald energieverlies voor 500 MeV pionen in silicium van verschilende dikte. De top van de curves geeft het meest waarschijnlijke energieverlies per micrometer aan; het gemiddelde energieverlies is hoger. Figuur van Particle data group H.J. Bulten VU/NIKHEF HISPARC elektronica handleiding 3

4. Meest waarschijnlijk energieverlies per micrometer voor geladen deeltjes, zwaarder dan een elektron, als functie van de energie van het deeltje (eigenlijk: als functie van de verhouding van de impuls en de rustmassa van het deeltje. 10 op de x-as correspondeert met b.v. een proton van 10 GeV of een muon van ruim 1 GeV). Energie-afgifte als functie van momentum H.J. Bulten VU/NIKHEF HISPARC elektronica handleiding 4

5. Scintillatoren • Gemiddeld genomen is het aantal fotonen dat van een scintillatorplaat af komt een goede maat voor het energieverlies dat het geladen deeltje heeft ondervonden in de scintillator. Laagenergetische deeltjes (beneden de 5 MeV of zo) zullen in de scintillator gestopt worden en al hun energie verliezen. Hoogenergetische deeltjes (voor onze toepassing vooral muonen uit kosmische straling) verliezen een gedeelte van hun energie. Bij de airshowers die wij willen meten komen elektronen voor met een gemiddelde energie van 1.5 MeV en muonen, die typisch 4 MeV afstaan in de scintillator (zie handleiding over kosmische straling); maar je ziet al in de figuur dat er van gebeurtenis tot gebeurtenis een behoorlijke spreiding in de energieafgifte op kan treden. H.J. Bulten VU/NIKHEF HISPARC elektronica handleiding 5

6. Photomultipliers • Het licht, dat in de scintillator ontstaat, wordt via de lichtgeleider naar de fotobuis (photomultiplier) gebracht. Deze photomultiplier wordt gebruikt om het licht in een elektrisch signaal om te zetten. Hier wordt de werking van de buis geschetst. • Een photomultiplier bestaat uit een buis die onder vacuum staat, met aan de voorkant een transparant (glas of quartz) venster. Aan de binnenkant van het venster zit de kathode, die op een negatieve spanning staat (afhankelijk van de buis en het gebruik in de orde van –0.5 tot –3 kV). De kathode bevat materiaal dat geschikt is om het fotoelektrisch effect op te wekken: een foton kan een elektron vrijmaken. De quantum-efficientie van de buis beschrijft hoe vaak dat gebeurt als functie van de golflengte van het foton. • Dit vrijgemaakte elektron geeft een veel te klein signaal om direct te gebruiken; het signaal moet versterkt worden. H.J. Bulten VU/NIKHEF HISPARC elektronica handleiding 6

7. Photomultipliers • Daarom bevat de buis een aantal zgn. dynodes. Dit zijn metalen schijfjes met een coating, die makkelijk elektronen loslaten als er een elektron met voldoende energie op valt. Een fotobuis bevat typisch 10 tot 14 dynodes. Deze staan achter elkaar op steeds positievere spanning. Het elektron van de anode wordt aangetrokken door het veld van de eerste dynode (bv. +100V t.o.v. de anode) en zal op de eerste dynode botsen met een energie bijna gelijk aan het spanningsverschil (het foton heeft ongeveer 2 eV energie, de bindingsenergie van het elektron aan het anodemateriaal is ook in die orde van grootte). Dit elektron maakt dan uit het anode materiaal nieuwe elektronen vrij (b.v. 3 per 100 V). De hoeveelheid vrijgemaakte elektronen op een dynode is ruwweg evenredig met de kinetische energie van het invallende elektron. H.J. Bulten VU/NIKHEF HISPARC elektronica handleiding 7

8. Photomultipliers • De vrijgemaakte elektronen zien de volgende dynode, die t.o.v. deze dynode op weer 100 V hogere spanning staat. Nu vliegen er 3 elektronen naar de tweede dynode, die elk 3 nieuwe elektronen vrij kunnen maken. Zo gaat dit door tot de kathode aan het eind. Bij de spanning in dit voorbeeld zou het enkele elektron aan het begin resulteren in 3 tot de macht 10 (ongeveer 59000) elektronen (voor 10 dynodes). Zou de spanning over de buis een factor 2 hoger zijn, dan zou de versterkingsfactor dus ongeveer 6 tot de macht 10 bedragen en de resulterende puls is dan een factor duizend groter. • Een schematisch overzicht wordt getoond in de volgende figuur. H.J. Bulten VU/NIKHEF HISPARC elektronica handleiding 8

9. Photomultipliers Schematisch overzicht van de werking van een photomultiplier. De spanningsdeler zorgt voor een vast spanningsverschil tussen de dynodes. H.J. Bulten VU/NIKHEF HISPARC elektronica handleiding 9

10. Impedance matching • De photomultiplier geeft snelle signalen af. De buizen die wij gebruiken geven pulsen van ong. 5 ns breed zonder scintillator, en misschien 20 ns met de grote HISPARC scintillatoren er aan (waarom wordt het signaal breder?). Bij zulke snelle signalen heb je speciale kabels en elektronica nodig om ruis te onderdrukken en de pulsvorm te behouden. Dat gaat dmv. “impedance matching”, door te zorgen dat de ingangs impedantie van ieder apparaat dat een puls ontvangt gelijk is aan de uitgangsimpedantie van het apparaat dat de puls levert. Impedantie is het wisselstroom equivalent van weerstand. Bij gelijkstroom heb je V=I*R, de spanning over een weerstand is gelijk aan de stroom door de weerstand maal de waarde van de (ohmse) weerstand. Voor wisselstromen ligt die relatie wat gecompliceerder: je hebt ook capaciteiten en inducties die een rol spelen. Om toch goede pulsvormen te houden, gebruik je RG-58 BNC kabel of RG-174 lemo kabel. De signalen gaan door een H.J. Bulten VU/NIKHEF HISPARC elektronica handleiding 10

11. Impedance matching • binnenste cylider van koper, het hart. De aarde is verbonden met de buitenste cylinder van draadjes, de mantel. Tussen de mantel en het hart van de kabel zit een dielectricum (van plastic). De capaciteit en inductie van de kabel is afgeregeld voor 50 Ohm impedantie (deze impedantie hangt af van de verhouding van de diameters van de mantel en het hart, en ook van de eigenschappen van het dielectricum). Ook bij radio en tv signalen heb je hier mee te maken; voor kabeltelevisie is de impedantie gematched op 75 Ohm (75-Ohms kabel). • Als je een kabel niet afsluit (dus aan het uiteinde zit geen 50-ohms impedantie) krijg je reflecties van het signaal en vervormingen. mantel hart Doorsnede lemo Doorsnede BNC H.J. Bulten VU/NIKHEF HISPARC elektronica handleiding 11

12. Oscilloscoop • Met een oscilloscoop kun je electrische signalen meten. Over het algemeen heeft een oscilloscoop 2 ingangskanalen, A en B, plus een extern kanaal. Als je op kanaal A of B een kabel aan sluit, dan laat de oscilloscoop de spanning als functie van de tijd zien op het venster. Je kunt de tijdas instellen (b.v. 1 hokje per microseconde of per 50 nanoseconde), de y-as (b.v. 5 V per hokje of 5 mV per hokje), en het meest belangrijk, de trigger. De trigger is de conditie op een signaal dat de data-aquisitie (dus het verzamelen van de data) opstart. Je kunt b.v. instellen dat de oscilloscoop alleen data laat zien als kanaal B een signaal heeft dat groter is dan 72 mV. • Omdat de oscilloscoop vaak een geheugenkaart heeft, kun je meestal bepalen welk stuk in de tijd je t.o.v. de trigger wilt zien. • Voor de trigger kun je selecteren op welk ingangskanaal je kijkt (A,B, of extern), op welk niveau de triggerconditie vervult wordt • (dit heet de threshold, 72 mV in het voorbeeld hierboven), H.J. Bulten VU/NIKHEF HISPARC elektronica handleiding 12

13. Oscilloscoop • of dit met een opgaande of neergaande flank (rising or falling edge) is (dus opgaand wil zeggen dat het signaal kleiner was en toe neemt, neergaand wil zeggen dat het signaal groter was dan de threshold en af neemt), en verder kun je ook automatisch triggers genereren (line of auto wil zeggen dat je niet (of niet altijd) op je triggerconditie wacht maar continue de signalen op de ingang weer geeft. Norm is de normale instelling, waar alleen data vertoond wordt als er een trigger gegeven is). • Belangrijk is ook, dat je de ingangsimpedantie van de oscilloscoop kunt instellen. Werk altijd met DC, 50 Ohm (dus niet AC of noise of 1 M Ohm). • De PICO oscilloscoopkaart heeft niet de mogelijkheid om 50 Ohm te selecteren. Hier moet je DC gebruiken en aan de ingang een 50-Ohms impedantie in parallel met je signaal zetten (zie foto). H.J. Bulten VU/NIKHEF HISPARC elektronica handleiding 13

14. Oscilloscoop Enkele events opgeslagen op een digitale oscilloscoop. Dit zijn signalen uit de HISPARC detector 1 photomultiplier, met 80 meter kabel tussen de detector en de oscilloscoop. H.J. Bulten VU/NIKHEF HISPARC elektronica handleiding 14

15. Oscilloscoop Een aantal events, opgeslagen met de PICO oscilloscoop, uit een van de kleine scintillatoren. De threshold staat zo laag, dat de electronische ruisband (~10 mV) nog te zien is. Het meest waarschijnlijke energieverlies van kosmische muonen leidt tot het bandje bij ~120 mV. H.J. Bulten VU/NIKHEF HISPARC elektronica handleiding 15

16. 50-ohms afsluiting BNC-lemo converter • 50-ohms afsluiting voor de PICO scoop. Je kunt zien, dat de 50-Ohms BNC kabel naar een t-stukje gaat, waar een 50 Ohms impedantie parallel aan de hoogohmige ingangsweerstand van de PICO kaart is gezet. 50-Ohms impedantie (lemo) BNC T-stukje BNC kabel met ingangssignaal H.J. Bulten VU/NIKHEF HISPARC elektronica handleiding 16

17. Afregelen photomulitiplier • Iedere photomultiplier heeft zijn eigen karakteristieken: hoeveel stroom hij trekt in donkere condities, hoeveel versterking hij geeft, wat de quantum-efficiency is, hoeveel ruis hij geeft, etc. Om later quantitatief de data te kunnen bekijken moeten we de eigenschappen van de buis vastleggen. Zo kunnen we later zien, hoe veel energie een shower in de detector heeft achtergelaten en of het gedrag van de detector in de tijd stabiel is. • Goede verslaggeving is van belang, je wilt over een paar jaar alle relevante metingen kunnen herhalen. • Als eerste wil je van de photomultiplier vastleggen wat de ruis is, als de photomultiplier lichtdicht is afgesloten zonder scintillator er aan. • Er is elektronische ruis: deze kun je bekijken op de oscilloscoop door de trigger conditie “line” te nemen. Je moet een constante baseline zien met een ruis in de orde van een mV. Zie je met het H.J. Bulten VU/NIKHEF HISPARC elektronica handleiding 17

18. Afregelen photomulitiplier • oog dat de baseline op en neer gaat, of zie je pulsjes langsvliegen, dan is er een lichtlek. Leg een zwarte doek over de photomultiplier. Verandert het oscilloscoopbeeld, dan moet je de photomultiplier opnieuw lichtdicht maken. • Ook kan er een probleem met de nieuw gesoldeerde connectoren zijn. • De volgende stap is het bepalen van de ruis van de photomultiplier. Hieronder verstaat men de z.g.n. single-photon ruis. De buis zal, ook al is hij lichtdicht ingepakt, geregeld een pulsje geven. Dit pulsje kan veroorzaakt zijn door kosmische straling die door de buis vliegt of door elektronen die toevallig, b.v. door een thermisch effect, van de kathode of van een van de eerste dynodes los laat. Deze ruis is dus een functie van de hoogspanning over de buis en je wilt weten hoeveel gebeurtenissen je registreert als functie van de hoogspanning en de threshold. Een echte gebeurtenis, veroorzaakt door kosmische straling door de kathode, kan optreden met b.v. 0.1 Hz. Afhankelijk van de threshold kun je ruis meten met kiloHerzen. H.J. Bulten VU/NIKHEF HISPARC elektronica handleiding 18

19. Afregelen photomulitiplier • Wat moet er gebeuren: maak een tabel voor 700, 750, 800, 850, en 900 V spanning over de buis. Scan de threshold van 1 … 500 mV en meet het aantal coincidenties met de elektronica. Wat je wilt zien is de flank van de steile piek waar de frequentie van 100- 1 Hz varieert, en het gebied waar de rate af valt tot bijna 0. Je kunt b.v. 30 seconden meten en het aantal gebeurtenissen opslaan in een tabel/grafiek. • Meet bij een threshold van b.v. 1,2,3,4,5,10,20,30,50,100,150,200,300,500, 700 • mV. Als de rate bij 5 nog boven de 100 Hz is hoef je dus 1,2,3,4, niet te meten. Als de rate tussen threshold 10 en 20 van 10 Hz naar 1 Hz zakt, dan wil je ook een threshold van 15 meten. Je wil dus vastleggen waar de flank zit, waar het vlakke gebied zit (het plateau) en waar de rate echt naar 0 gaat. • (figuur voorbeeld moet worden toegevoegd) H.J. Bulten VU/NIKHEF HISPARC elektronica handleiding 19

20. Afregelen photomultiplier • Als de photomultiplier werkt en de metingen zoals op de vorige bladzijde geschreven zijn goed gedaan (dus er is een rapport, waarin staat wat de resultaten zijn, wie de meting heeft gedaan en wanneer, wat het type en nummer van de buis is, etc) dan kan de photomultiplier aan de detector worden gelijmd. Nu wil je dezelfde rate metingen herhalen, echter je zult nu ook zo’n 200 Hz single rate hebben van kosmische straling die door de scintillator heen vliegt. Ook de ruispiek is veel hoger: er komen geregeld losse fotonen uit de scintillator die niet direct gerelateerd zijn aan kosmische straling. • Ten derde wil je de Landau distributie zoals in het begin van de manual meten (ook weer voor 700… 900 V). Daartoe maak je een opstelling met 2 extra scintillatoren. H.J. Bulten VU/NIKHEF HISPARC elektronica handleiding 20

21. Twee kleine scintillatoren worden boven en onder de HISPARC scintillatoren opgesteld. Je gebruikt een electronica kastje om de thresholds goed af te regelen, zodat je enkel triggers krijgt als er een coincidentie tussen beide kleine scintillatoren is veroorzaakt door (ongeveer 100 % van de gevallen) een kosmisch muon. Regel dit af door ook de signalen van de kleine detectoren te bekijken. Als dit het geval is, gebruik je de trigger van het electronika kastje om de PICO kaart te triggeren (extern) en je sluit de versterkte signalen van de HISPARC detector aan op PICO kanaal A en B. Coincidentie opstelling Hisparc scint Muon Trigger Discr. Amplifier, shaper Oscilloscoop kaart H.J. Bulten VU/NIKHEF HISPARC elektronica handleiding 21

22. Je kunt nu het Landau spectrum meten; Je meet wat je ziet in scintillator 1 en 2 onder de conditie dat er een muon doorheen gevlogen is (want de trigger komt van de kleine scintillatoren). Gebruik hiertoe het programma “adc.vi”. In dit programma zie je de individuele sporen per gebeurtenis en twee gesommeerde spectram die van iedere gebeurtenis het hoogteverschil tussen maximum en minimum op slaat. Na meting kun je een file wegschrijven; Deze file bevat de somspectra in de vorm van 2 kolommen. De x-as is de centrale waarde van de bin in x, het hoogteverschil in mV. De y-as bevat het aantal keer dat een gebeurtenis dit hoogteverschil op leverde. Je krijgt dus een spectrum zoals op bladzij 3. Voorbeeld wordt toegevoegd. Coincidenties; landau spectrum H.J. Bulten VU/NIKHEF HISPARC elektronica handleiding 22

23. We hebben een kleine scintillator ingepakt in aluminiumfolie en lichtdicht plastic/tape. Deze scintillator (genummerd testscint1) moest worden geijkt om te bepalen op welke spanning en bij welke drempel je kosmische muonen ziet. We hebben verschillende metingen gedaan, bij spanningen van 2000, 2100 en 2200 V. Links staat het spectrum, gemeten voor 2100 en 2200 V met een drempel van 20 mV. Merk op: de kosmische deeltjes zijn de rug rond 50 mV en ze komen net een beetje los van de ruispiek bij 20 mV Ijken van de kleine scintillatoren H.J. Bulten VU/NIKHEF HISPARC elektronica handleiding 23

24. Hier is een coincidentie gemaakt tussen de kleine scintillator en een grote Hisparc scintillator (op 800 V, Scintillator 2.1). Er staat een drempel ingesteld van 170 mV op het ingangssignaal (dus +/- 20 mV op het versterkte signaal) van de grote scintillator, en slechts 10 mV op de kleine, zodat je ook nog ruis ziet in de kleine scintillator. H.J. Bulten VU/NIKHEF HISPARC elektronica handleiding 24

25. H.J. Bulten VU/NIKHEF HISPARC elektronica handleiding 25

26. Ter ijking zijn ook nog metingen gedaan met twee radioactieve bronnetjes: 22Na en 90Sr. De 22Na bron zendt gamma’s uit van 1.27 MeV en lager (met een lijn bij 511 keV vanwege annihilerende positronen) De 90-Sr bron zendt elektronen uit met energieen beneden de 2.7 MeV. H.J. Bulten VU/NIKHEF HISPARC elektronica handleiding 26