Hallo,
ich möchte Pulse einer PMT (Photomultipliziererröhre) erfassen. Für
einen Szintillatordetektor. Im Idealfall möchte ich ein Spektrum
erfassen, und das mittels eines µC.
Im Endeffekt will ich die Fläche der Pulse wissen, weil darin die
Information steckt, wieviel Energie das gerade detektierte Photon hat.
Und da wäre die Frage, ob ein Sigma-Delta-Wandler sinnvoll ist.
Grund:
Soweit ich verstanden habe, erfasst der Sigma-Delta-Wandler ja nicht
zeitdiskrete Einzelwerte (also Punkte auf dem Grafen), sondern im
Endeffekt "Mittelwerte" über den Abtastzeitraum.
Würde mir der Wandler die Fläche des Impulses (=DC-Anteil) korrekt als
Ergebnis liefern, wenn der komplette Impuls in ein Sample passt (Siehe
Bild : Sample a)?
Und, wenn der Impuls nicht synchron zur Abtastung kommt (und sich auf
z.B. zwei Samples verteilt), kann ich dann die Samples addieren und
erhalte die korrekte Fläche (Bild: Sample b und Sample C)?
Mir ist klar, dass ich eine analoge Vorverarbeitung in Form von
Impulsformung benötige. Daher wäre noch interessant, wie weit ich die
Pulse strecken muss, und wie sich das auf den Fehler auswirkt.
Dazu hatte ich schon einen Thread aufgemacht. Also grob zusammengefasst:
Wenn der ADC mit 1 MSample/s abtastet, dann sieht der Eingang NICHT eine
volle us das Signal sondern nur für eine deutlich kürzere Zeit. So hatte
ich das verstanden, es ist also kein Mittelwert sondern quasi ein
Momentanwert oder naja ein Mittelwert über einen sehr kurzen
Zeitbereich.
Also entweder schneller abtasten oder eine Schaltung bauen die das
Maximum festhält.
Wie lange sind deine Impulse? Die Anodenimpulse sind glaube ich eher
sehr kurz.
Und welche Auflösung benötigt du? Uns würde es genügen wenn man ein
Spektrum aus 32 oder mehr Kanälen bekommt, also mindestens 5 Bits.
Das war der Thread:
Beitrag "Fragen zu ADCs / mehrere ADCs versetzt sampeln lassen."
Gustl B. schrieb:> Wenn der ADC mit 1 MSample/s abtastet, dann sieht der Eingang NICHT eine> volle us das Signal sondern nur für eine deutlich kürzere Zeit. So hatte> ich das verstanden, es ist also kein Mittelwert sondern quasi ein> Momentanwert oder naja ein Mittelwert über einen sehr kurzen> Zeitbereich.
Richtig, aber nicht beim Sigma-Delta-Wandler.
Der Sigma-Delta-Wandler funktioniert kompett anders. Ich habe das so
verstanden, dass er (im Prinzip) ein ADC mit 1 Bit Auflösung und hoher
Samplerate ist. Die höheren Auflösungen erreicht man nur durch
Oversampling.
Prinzipiell sollte der DC-Anteil von Impulsen, die kürzer als 1 Sample
sind noch abgebildet werden können. Interessant ist für mich
ausschließlich der DC-Anteil. Ich vermute, der Sigma-Delta-Wandler wirkt
effektiv wie ein Integrator über die gesamte Samplezeit.
Die Idee ist, einen recht "langsamen" Sigma-Delta-Wandler wie den
http://www.ti.com/product/ads1146 nutzen zu können, und trotzdem
passable Pulsraten zu erreichen.
Daher meine Frage. Mir fehlt nur jede Idee, wie weit ich die Impulse
strecken muss, um welchen Fehler zu erreichen :-(
Ich weiß, dass man oft Spektroskopie mit Soundkarten treibt, daher auch
die Idee mit dem Sigma-Delta-Wandler. Soundkarten sind ja genau das.
Wie lang sind denn deine Impulse? Man will ja doch schnell genug
abtasten damit man immer nur maximal einen Impuls erfasst während der
Zeit eines Sampels.
Hängt also davon ab wie lang ein Impuls ist und wieviele das insgesamt
in einer Zeiteinheit sind.
Gustl B. schrieb:> Wie lang sind denn deine Impulse? Man will ja doch schnell genug> abtasten damit man immer nur maximal einen Impuls erfasst während der> Zeit eines Sampels.> Hängt also davon ab wie lang ein Impuls ist und wieviele das insgesamt> in einer Zeiteinheit sind.
Die Impulse sind extrem kurz (einstellige ns), so dass sowieso eine
analoge Vorverarbeitung erfolgen muss. Also kann ich die Impulsbreite
einstellen - das ist nur eine Frage von Bauteilwerten.
Wie schnell die Impulse hintereinander kommen, kann ich nicht sagen. Das
hängt von der Empfindlichkeit der Anordnung ab. Ich habe aber definitiv
nicht vor, hochradioaktives Material anzuschaffen, daher gehe ich mal
von <50 Impulsen pro Sekunde aus.
Problem:
Wann ein Impuls auftritt, und was der Abstand zwischen zwei Impulsen
ist, ist zufällig (wir reden hier von Radioaktivität - zufälliger geht
nicht).
D.h. die Impulse will ich möglichst kurz wählen, um eine möglichst
geringe Wahrscheinlichkeit zu haben, dass sich zwei Impulse zu einem
addieren.
<100µs kling sinnvoll.
Wobei ich sagen muss, das sind Details. Momentan geht es mir eher darum,
ob das Konzept an sich so aussichtsreich ist, dass sich ein Prototyp
lohnt ;-)
Ja diese kurzen Impulse haben wir auch. Nutzen sie aber nicht deren
energieinformation.
Derzeit machen alle so kurzen Impulse über einen Komparator und ein
logisches Signal ein Zeitfenster auf. Wenn dann innerhalb des
Zeitfensters ein zweiter Impuls kommt, so wird der in ein anderes
Spektrum sortiert. So können wir Zerfälle erkennen bei denen in sehr
kurzer Zeit ein zweiter Zerfall folgt.
Aber besser wäre es diese kurzen Impulse selber zu nutzen. Bei einem
Photomultiplier ist die Energieauflösung nicht so wichtig, es würde uns
reichen wenn wir die Energie der kurzen Impulse mit 5 oder mehr Bits
erfassen könnten.
Zeitgleich findet bei der selben Probe eine Gammamessung statt. Da ist
die Energieauflösung ziemlich gut. Die Messung mit dem Szintillator wird
da nur für die Koinzidenz verwendet. Es werden also nur Impulse gezählt
die beide Detektoren sehen.
@TO
Du solltest Dich noch mal der Funktionsweise eines
Szintillationsdetektor oder besser mit der eines Photomultipliers
befassen.
Der Energieinhalt des detektierten Teilchens steckt in der Impulshöhe
des Photomultiplierimpulses und nicht in der Fläche unter diesem.
Sicher?
Da lösen Photonen eine Elektronenawine aus. Die Anzahl der Elektronen
ist proportional zur Lichtmenge. Die Anzahl der Elektronen ist aber eine
Ladungsmenge. Die Spannung wird durch einen Strom hervorgerufen und der
Strom über die Zeit ergibt die Ladung.
Die Spannung ist aber auch proportional zur Stromstärke. Also die
maximale Spannung ist da wo der Strom maximal ist.
Ich vermute das ist egal ob man jetzt die Fläche oder die
Maximalspannung nimmt. Wenn die Impulsform konstant sind ist beides
proportional zur Energie.
szintillator schrieb:> Im Endeffekt will ich die Fläche der Pulse wissen, weil> darin die Information steckt, wieviel Energie das gerade> detektierte Photon hat. Und da wäre die Frage, ob ein> Sigma-Delta-Wandler sinnvoll ist.
Nicht übermäßig.
> Grund:> Soweit ich verstanden habe, erfasst der Sigma-Delta-Wandler> ja nicht zeitdiskrete Einzelwerte (also Punkte auf dem> Grafen), sondern im Endeffekt "Mittelwerte" über den> Abtastzeitraum.
Das stimmt zwar, aber wenn Du im Eingang mal ausnahmsweise
das Abtastfilter vorsiehst, dass JEDES vernünftige Lehrbuch
erwähnt, dann erreichst Du auch mit einem "momentan"
umsetzenden Wandler (Flash-ADC) den gewünschten Effekt.
Wenn Dir klar ist, wie man mit Splines und einigen diskreten
Stützstellen eine KONTINUIERLICHE Kurve beschreiben kann,
dann sollte Dir auch zugänglich sein, wie man mit den diskreten
Stützstellen, die der ADC liefert, eine KONTINUIERLICHE
Messkurve beschreiben kann.
Gustl B. schrieb:> Sicher?>> Da lösen Photonen eine Elektronenawine aus. Die Anzahl der Elektronen> ist proportional zur Lichtmenge. Die Anzahl der Elektronen ist aber eine> Ladungsmenge. Die Spannung wird durch einen Strom hervorgerufen und der> Strom über die Zeit ergibt die Ladung.> Die Spannung ist aber auch proportional zur Stromstärke. Also die> maximale Spannung ist da wo der Strom maximal ist.> Ich vermute das ist egal ob man jetzt die Fläche oder die> Maximalspannung nimmt. Wenn die Impulsform konstant sind ist beides> proportional zur Energie.
Beim Photomultiplier wird nur das Ergebnis der Vervielfachung
registriert. Die Impulse sind sehr kurz, so das die genaue Bestimmumg
der Fläche unter dem Impuls technisch sehr schwierig wird.
Der Photomultiplier arbeitet eher "digital". Die eintreffenden Photonen
lösen (je nach Energie) ein oder mehrere Elektronen aus der Katode. Die
Elektronen werden beschleunigt und lösen jetzt aus der folgenden Dynode
wiederum (mehr) Elektronen heraus. Dieser Vorgang wiederholt sich jetzt
entspechend der Anzahl der Dynoden. Am Ende fließt der Elektronenstrom
über die Anode ab und kann als Impuls registriert werden. Die Impulshöhe
ist von der Anzahl der Elektronen abhängig.
Zeno schrieb:> Die Impulse sind sehr kurz, so das die genaue Bestimmumg> der Fläche unter dem Impuls technisch sehr schwierig wird.
Richtig.
Genau deshalb ist es weithin üblich, die Pulse nicht
unbearbeitet zu registrieren, sondern vorher eine
Pulsformung vorzunehmen. Die Pulsformer sind lineare,
zeitinvariante Systeme -- das bedeutet, dass ein
fester, genau determinierter Zusammenhang zwischen
der Energie des Eingangspulses und der des Ausgangs-
pulses vorliegt.
All das ist hier auch schon tausendmal durchgekaut
worden.
Nein Photomultiplier arbeiten nicht digital. Die Impulshöhe und die
Fläche darunter sind abhängig von der Lichtmenge.
Ja, man verwendet üblicherweise Pulseshaping. Machen wir hier auch und
bekommen so mit dem Photomultiplier eine ordentliche Energieauflösung
hin.
Der Nachteil ist aber, dass dieses Pulseshaping die Impulse sehr viel
breiter macht. Man kann also schnell aufeinanderfolgende Impulse nicht
mehr unterscheiden. Das ist dem Threadersteller hier vermutlich egal. In
meinem Anwendungsfall im oben verlinkten Thread aber nicht.
Hier würde ich tatsächlich empfehlen die Impulse vorher breiter zu
machen wenn das für die Anwendung OK ist. Daher hatte ich auch oben
geschrieben das es mit der Gesamtzahl der Impulse in einer Zeiteinheit
zusammenhängt.
Egon D. schrieb:> Wenn Dir klar ist, wie man mit Splines und einigen diskreten> Stützstellen eine KONTINUIERLICHE Kurve beschreiben kann
Das ist mir noch nicht klar. Also ja, dass das funktioniert weiß ich
schon, aber ich weiß nicht wie ich das rechnerisch dann tatsächlich
mache. Ich kann die Sampelrate virtuell erhöhen, also Sampel wiederholen
und dann tiefpassfiltern, aber das braucht viele Rechnungen und ist in
Echtzeit wohl kaum machbar. Gibt es da eine andere Möglichkeit?
Zeno schrieb:> Der Energieinhalt des detektierten Teilchens steckt in der Impulshöhe> des Photomultiplierimpulses und nicht in der Fläche unter diesem.
Da denk nochmal drüber nach. Alleine die Übertragungsfunktion von PMT
und ggf. Signalkonditionierung macht dir da schon einen Strich durch die
Rechnung.
Gustl B. schrieb:> Hier würde ich tatsächlich empfehlen die Impulse vorher breiter zu> machen wenn das für die Anwendung OK ist.
Was der TO braucht, ist ein Ladungsverstärker. Die erzeugte Spannung
kann man sich dann mit dem ADC angucken.
Der Puls direkt vom PMT ist sehr kurz. Durch die Nachfolgende
Verstärkung und in der Regel zusätzliche Pulsformung (spezielles Filter)
wird die Form des Pulses bestimmt. Ob man die Höhe oder die Fläche unter
dem Puls bestimmt ist weitgehend egal, weil die Form immer gleich ist.
Der SD ADC integriert das Signal. Je nach Art des Filters im ADC kann
das der einfache Mittelwert sein, es gibt aber auch andere Filterformen,
wo dann eine etwas andere Wichtungsform dazu kommt.
Im Prinzip passt das mit SD ADC und aufsummieren der Signale schon.
Vom Rauschen her sollte man die Pulsformung nicht zu weit treiben. Je
länger man die Pulse dehnt, desto mehr vom höherfrequenten Signalanteil
geht auch verloren. Dazu kommt, dass es auch einen Untergrund von ganz
kleinen Impulsen gibt (niedrige Energie und Rauschen des PMT).
Auch wenn man nur eher kleine Pulsraten erwartet sollte man also nicht
zu langsam wandeln. Man bekommt sonst nur mehr Rauschen rein. Je nach
Ansprechschwelle bekommt man 20-50 count/s schon vom Untergrund. Der
ADS1146 ist da ggf. schon eher etwas langsam. Die üblichen 50 kSPS der
Audio wandler passen vermutlich schon ganz gut - ggf. kann man auch 3
oder 4 Samples zusammenfassen, wenn der Puls länger ist.
Wolfgang schrieb:> Was der TO braucht, ist ein Ladungsverstärker. Die erzeugte Spannung> kann man sich dann mit dem ADC angucken.
Das habe ich mir als Alternative überlegt.
Einen Ladungsverstärker, der mit einem Analogswitch zurücksetzbar ist,
sobald ein ADC den Wert ermittelt hat.
In der Simulation funktioniert das auch einigermaßen. Mir gefällt aber
die Komplexität nicht so sehr.
Egon D. schrieb:> Wenn Dir klar ist, wie man mit Splines und einigen diskreten> Stützstellen eine KONTINUIERLICHE Kurve beschreiben kann,> dann sollte Dir auch zugänglich sein, wie man mit den diskreten> Stützstellen, die der ADC liefert, eine KONTINUIERLICHE> Messkurve beschreiben kann.
Stimmt, das ist ein guter Einwand.
Eigentlich kann ich genausogut einen SAR-ADC mit z.B. 10MSPS nehmen, und
die Pulse soweit strecken, dass das Abtasttheorem eingehalten wird.
Gustl B. schrieb:> Egon D. schrieb:>> Wenn Dir klar ist, wie man mit Splines und einigen diskreten>> Stützstellen eine KONTINUIERLICHE Kurve beschreiben kann>> Das ist mir noch nicht klar. Also ja, dass das funktioniert weiß ich> schon, aber ich weiß nicht wie ich das rechnerisch dann tatsächlich> mache. Ich kann die Sampelrate virtuell erhöhen, also Sampel wiederholen> und dann tiefpassfiltern, aber das braucht viele Rechnungen und ist in> Echtzeit wohl kaum machbar. Gibt es da eine andere Möglichkeit?
Das Problem mit der Rekonstruktion stellt sich mir auch.
Ein bischen Google sagt, es gäbe z.B: SINC-Interpolation:
https://www.dsprelated.com/freebooks/pasp/Windowed_Sinc_Interpolation.html
Wenn hier jemand Tipps hat, das wäre toll.
Ja diese Interpolation gibt es und sie hat auch Nachteile:
http://www.johnloomis.org/ece561/notes/sinc_interp/sinc_interp.html
Was ich noch nicht verstanden habe:
Ist die Sinc Interpolation etwas anderes als ein FIR Filter dessen
Filterkernel wie die Sinc Funktion aussieht?
Oder ist das nur ein Name für die Anwendung eines Filters mit einem
Filterkernel von Sinc Aussehen?
Das Problem ist, dass für die kurzen Impulse von wenigen ns Länge eine
hohe Abtastrate nötig wird. Alleine schon um diese dann rekonstruierbar
zu erfassen. Und diese Abtastrate muss dann noch interpoliert werden.
Das braucht viele schnelle Multiplikationen.
Als Beispiel eine Abtastung von 250 MSample/s, damit trifft man jeden
den kurzen Impulse mit wenigen Samples. Und das will man dann
interpolieren auf eutlich mehr wie 250 MSample/s virtuell, so 2-4
GSample/s. Das werden irre viele Multiplikatoren die man braucht um das
in Echtzeit rechnen zu lassen.
Die Lösung wäre hier, dass man das upgasampelte Signal durch einen IIR
Filter schickt. Aber wie man diese baut in VHDL habe ich noch nicht
gemacht, das sieht für mich als Laie etwas nach Magie aus.
Egon D. schrieb:> Genau deshalb ist es weithin üblich, die Pulse nicht> unbearbeitet zu registrieren,
Genau das wollte ich ausdrücken. Und ja es existiert ein fester
Zusammenhang zwischen auslösendem Photon und dem erzeugten
Spannungsimpuls, nämlich die Impulsamplitude. Deshalb wird der Impuls
auch erst geeignet verstärkt und dann per S&H zwischengespeichert. Die
Fläche unter dem Impuls interessiert überhaupt nicht. Die Amplitude des
Impulses ist entscheident und läßt Rückschlüsse auf die Strahlungsquelle
zu. Wer's nicht glaubt lese hier
http://www.rapp-instruments.de/Radioaktivitaet/Detektoren/scintillation/scintillation.htm
nach. Da ist alles bestens beschrieben. Der Autor beschreibt auch einen
passenden Schaltungsaufbau für das Vorhaben
(http://www.rapp-instruments.de/Elektronik/Messtechnik/mca/mca.htm)
Gustl B. schrieb:> Nein Photomultiplier arbeiten nicht digital. Die Impulshöhe und die> Fläche darunter sind abhängig von der Lichtmenge.
Was meinst Du warum ich das digital in Anführungszeichen geschrieben
habe? Die Vervielfachung der Elektronen ist schon irgendwie "digital".
Betrachten wir mal den theoretischen Fall, das ein Photon genau ein
Elektron aus der Katode löst. Dieses Elektron löst aus der folgenden
Dynode 2 Elektronen heraus, bei der nächsten sind es dann schon 4 usw.
Das hat schon was "digitales". Wie viele Elektronen pro Elektron aus der
Dynode herausgelöst werden hängt halt vom Photomultiplier und dessen
Beschaltung ab. Wie gesagt das war nur eine theoretische Überlegung, um
zu zeigen das "digital" gemeint war. Wie viele Elektronen aus der Katode
bei initial herausgelöst werden hängt halt von der Energie des Photons
ab. Dementsprechend sind es auch am Ende der Kette mehr oder weniger
Elektronen die zum Stromfluß beitragen und einen entsprechenden Impuls
mit entsprechender Amplitude erzeugen.
Wolfgang schrieb:> Zeno schrieb:>> Der Energieinhalt des detektierten Teilchens steckt in der Impulshöhe>> des Photomultiplierimpulses und nicht in der Fläche unter diesem.>> Da denk nochmal drüber nach. Alleine die Übertragungsfunktion von PMT> und ggf. Signalkonditionierung macht dir da schon einen Strich durch die> Rechnung.
Muß ich nicht mehr drüber nachdenken - habe schon getan und selbst schon
was in der Richtung gemacht. Schau Dir die im letzten Post von mir
verlinkte Seite
(http://www.rapp-instruments.de/Radioaktivitaet/Detektoren/scintillation/scintillation.htm)
an, dort ist es bestens erklärt. Auch das dort verlinkte Buch von dem
Typen ist lesenswert.
Ich habe gut zehn Jahre mit PMT's zu tun gehabt und weis wie das Teil
funktioniert. Allerdings ging es bei uns seinerzeit nicht um
Szintillation. Bei uns bestand einfach die Aufgabe das
Intensitätsmaximum eines reflektierten monochromatischen Lichtstrahles
mit sehr geringer Helligkeit zu bestimmen. Heutzutage würde man das mit
einem Halbleitersensor machen aber vor 35 Jahren gab es da noch nicht
das Passende.
Gustl B. schrieb:> Was ich noch nicht verstanden habe:> Ist die Sinc Interpolation etwas anderes als ein FIR Filter dessen> Filterkernel wie die Sinc Funktion aussieht?> Oder ist das nur ein Name für die Anwendung eines Filters mit einem> Filterkernel von Sinc Aussehen?
Sinc-Interpolation ist normalerweise ein Filter, das im Zeitbereich
Sinc-förmig aussieht und im Frequenzbereich ein Rechteck ist, dadurch
kommt durch die Interpolation keine unerwünschte neue Energie ins
Spektrum.
Ein Sinc-Filter hingegen ist ein Filter, das im Frequenzbereich
Sinc-förmig ist und im Zeitbereich rechteckig, das ist ein simpler
Moving-Average bzw. Boxcar-Filter
Zeno schrieb:> Egon D. schrieb:>> Genau deshalb ist es weithin üblich, die Pulse nicht>> unbearbeitet zu registrieren,>> Genau das wollte ich ausdrücken. Und ja es existiert ein fester> Zusammenhang zwischen auslösendem Photon und dem erzeugten> Spannungsimpuls, nämlich die Impulsamplitude. Deshalb wird der Impuls> auch erst geeignet verstärkt und dann per S&H zwischengespeichert. Die> Fläche unter dem Impuls interessiert überhaupt nicht. Die Amplitude des> Impulses ist entscheident und läßt Rückschlüsse auf die Strahlungsquelle> zu.
Das Abtasten per S&H ist die alte "analoge" Methode. Alternativ zur S&H
Schaltung kann man auch einen Spitzenwert-Detektor nutzen. Damit ist die
Triggerschwelle und Verzögerung nicht mehr so kritisch.
Weil die Pulsform fest ist, ist es egal ob man die Amplitude an Hand der
Spannung am Maximum, nach einer bestimmten Verzögerung, oder die Fläche
unter dem Peak (festes Zeitfenster um den peak) nutzt. Die Größen sind
alle proportional zur Zahl der Elektronen vom PMT. Vom Rauschen her
sollte die Auswertung der Fläche etwas besser sein, wenn man das Fenster
um den Peak passend wählt.
Die Auswertung per ADC ist eine Alternative zur klassischen analogen
Auswertung. Man spart sich das Problem die passende Triggerschwelle /
Verzögerung zu finden und kommt ggf. mit weniger Hardware aus. Ein
integrierender ADC kann dabei als eine zusätzliche Pulsformung gesehen
werden, um die Fläche zu erfassen, ähnlich wie man es mit
Ladungsverstärker und zurücksetzen machen würde. Die Digitale Auswerung
der Pulsamplitude funktioniert gut und wird auch genutzt.
Die eigentlich Frage des TO war nach der passenden Abtastrate bzw.
Pulsdehnung. Das Fester, das der ADC abtastet sollte so schmal wie
möglich sein, aber den Puls (weitgehend) ganz erfassen. Mit der Summe
aus nur 2 ADC Werten ist da schon einiges an Zeit die unnötig erfasst
wird: Der Puls sollte etwa 1 ADC Interval lang sein, es werden aber 2
benutzt. Mit einer etwas höheren Abtastrate und dann 3 oder ggf. 4
Werten um den maximalen Wert könnte man weniger an Rauschen erfassen.
Der Puls wäre etwa 2 bzw. 3 Intervalle lang und man erfasst 3 bzw. 4.
Insgesamt sollte man den Puls nicht zu sehr dehnen, d.h. der ADC sollte
schon etwas schneller sein, schon um die Überlappung von Pulsen zu
reduzieren.
Bei genügend schneller Abtastung und begrenzter Signalbandbreite geht es
auch mit einem abtastenden ADC. D.h. auch so etwas wie ein µC mit
internem 1 MSPS ADC wäre eine gute Wahl. Die Auswertung würde dann mehr
Samples (z.B. 20) umfassen und könnte ggf. entsprechend der Pulsform
wichten.
Zeno schrieb:> Muß ich nicht mehr drüber nachdenken - habe schon getan und selbst schon> was in der Richtung gemacht. Schau Dir die im letzten Post von mir> verlinkte Seite>
(http://www.rapp-instruments.de/Radioaktivitaet/Detektoren/scintillation/scintillation.htm)
> an, dort ist es bestens erklärt. Auch das dort verlinkte Buch von dem> Typen ist lesenswert.
Ähem... räusper, räusper..
Also erstens: sollte man auch dem Rapp nicht ohne eigenes Nachdenken
alles glauben.
Und zweitens:
Allen Strahlungsdetektoren, die nicht wie Geiger-Müller grundsätzlich
bis in die Sättigung gehen, sondern mehr oder weniger proportional
arbeiten, ist eines gemeinsam:
Die Energie, die ein Teilchen durch's Wechselwirken im Detektor
verliert, äußert sich durch eine zur verlorenen Energie proportionalen
Anzahl von Elektronen - und das ist ein STROM-IMPULS!
Der kann kurz und heftig oder länger und weniger heftig sein, aber eins
gilt immer: man muß tatsächlich die geflossene Ladungsmenge erfassen,
also quasi die Anzahl der aus dem Detektor herausgekommenen Elektronen.
Und dazu nimmt man einen sogenannten ladungsempfindlichen Verstärker.
Damit erfaßt man im Prinzip die Fläche unter dem Spannungs-Impuls, den
man sich dadurch macht, daß man die hereinkommenden Elektronen auf eine
Kapazität auflaufen läßt (also im Grunde ein Integrator) und zugleich
diesen Kondensator über einen parallel liegenden Widerstand wieder
entladen läßt.
Den Widerstand braucht man nicht zu schalten, denn dessen Einfluß auf
die Kurvenform kann man errechnen und berücksichtigen.
Der Knackpunkt der ganzen Sache besteht darin, daß man bei einem
Integrator aus dessen Spitzenspannung die hereingekommene Ladungsmenge
errechnen kann. Deshalb die an so einen Integrator angeschlossene
Sample&Hold-Stufe, die dazu dient, die Spitzenspannung mit einem
langsameren ADC erfassen zu können. Und der wir von einer
Spitzenerkennung getriggert.
Und NEIN, einen schnellen ADC, der in einem festen Raster wandelt, kann
man hier nicht gebrauchen. Nur wenn ein ADC so gestrickt ist, daß er die
S&H-Stufe gleich mit drin hat, dann muß kann man ihn direkt verwenden.
Nochmal zum wirklichen Begreifen: Wichtig ist die hereinkommende
Ladungsmenge, diese erfaßt man mit einem Integrator, der sich selbst
wieder entlädt, und dessen Spitzenspannung ist dann proportional zur
Ladungsmenge (und natürlich auch beeinflußt durch die Zeitkonstanten des
Integrators für's Auf- und wieder Ent-Laden).
Wen's hier näher interessieren sollte, dem empfehle ich den Meiling
(Kernphysikalische Elektronik, WTB - Wissenschaftliche Taschenbücher,
Band 160) Ist zwar steinalt, aber Newton's Gravitationsgesetz ist noch
VIEL älter, und der Pythagoras nochmals ein ganzes Stück älter - und
gelten immer noch.
W.S.
W.S. schrieb:> Und NEIN, einen schnellen ADC, der in einem festen Raster wandelt, kann> man hier nicht gebrauchen. Nur wenn ein ADC so gestrickt ist, daß er die> S&H-Stufe gleich mit drin hat, dann muß kann man ihn direkt verwenden.
Eigentlich jeder ADC hat doch sowas schon eingebaut. Hier der z. B. hat
das drinnen
http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD9650.pdf
.
Also ja, ich bekomme mit so einem ADC Messungen der Eingangsspannung zu
einzelnen Zeitpunkten die aber einen festen Abstand zueinander haben.
Da kann man jetzt den genauen bandbreitenbegrenzten Signalverlauf
rekonstruieren.
Gemessen werden soll die Ladung, diese lässt man abfließen, das ist ein
Strom. Fließt der durch einen ohmschen Widerstand, so kann man über dem
Widerstand eine Spannung proportional zum Strom messen und so wieder auf
die Ladung kommen.
Philipp M. schrieb:> Sinc-Interpolation ist normalerweise ein Filter, das im Zeitbereich> Sinc-förmig aussieht und im Frequenzbereich ein Rechteck ist, dadurch> kommt durch die Interpolation keine unerwünschte neue Energie ins> Spektrum.
OK, verstanden. Jetzt ist der Gedanke, dass man vielleicht die
Abtastrate virtuell erhöht durch Widerholung der Abtastwerte und dann
ein Tiefpassfilter.
Wie würde man das mit möglichst wenig Rechenaufwand/Hardware bauen?
Mein Vorschlag für einen einfachen Aufbau:
Per RC als "Ladungsverstärker" mit Widerstand zum entladen den Puls aus
genügende Breite (z.B. 10 µs) bringen. Das kann direkt am PMT sein, oder
als extra Pulsformerstufe. Das Signal könnte man nach passender
Verstärkung etwa auf den ADC eines STM32F3... geben. Je mach Modell kann
man mit etwa 1-4 MHz abtasten. Das ist schnell genug um sich nicht um
die Details Integrierend oder abtastend kümmern zu müssen, weil nur
wenig Amplitude jenseits des Nyquist Limits verbleibt - zu Not noch ein
bisschen mehr filtern.
Aus dem Signalstrom kann man dann in Echtzeit Peaks als ausgeprägte
Maxima detektieren. Irgend etwas wie (U(1) - U(2) -U(3) + U(4)) > Limit
und U(1) < U(2) und U(4) < U(3) sollte aus Kriterium ausreichen.
Dann um den Peak herum die Fläche berechnen: etwa 5 Werte vor dem
Maximum und etwa 10 danach aufsummieren. Wenn das Abklingen eher langsam
ist, kann man im danach Teil ggf. noch Wichtungsfaktoren dazu nehmen.
Die Details hängen davon ab wie der Puls dann aussieht, ggf. sind es
auch ein paar mehr Punkte.
Lurchi schrieb:> Per RC als "Ladungsverstärker" mit Widerstand zum entladen den Puls aus> genügende Breite (z.B. 10 µs) bringen.
So in der Art würde ich das auch machen. 50 Pulse / Sekunde sind nicht
viel.
Mit z.B. Samplerate von 1MSPS und einer RC-Zeitkonstante von 20µs ergibt
sich ein maximaler Fehler von 5% um die der Kondensator nach einem
Impuls bis zur nächsten Messung (max. 1 µs) bereits entladen ist.
Von aufeinanderfolgenden Messwerten ist der höchste der relevante.
Zwischen den Impulsen sollten mindestens 5 Zeitkonstanten (also 100µs)
liegen.
Bei 50 Pulsen/Sek ist die Wahrscheinlichkeit eines Pulses in einem
100µs-Fenster 0.5%. Für 2 Pulse ca. 0.0025%. Also alle 40.000
100µs-Slots ein Doppelpuls (oder alle 4s).
Doppelpulse mit mehr als 10µs Abstand sollten sich sicher identifizieren
lassen und solche mit 20µs rechnerisch korrigieren lassen.
Das wären dann worst case alle 400s ein nicht (sicher) identifizierbarer
Doppelpuls) und alle 100s ein identifizierbarer Doppelpuls bei dem die
Energien nicht richtig berechnet werden können..
Gustl B. schrieb:> Das Problem ist, dass für die kurzen Impulse von wenigen ns Länge eine> hohe Abtastrate nötig wird. Alleine schon um diese dann rekonstruierbar> zu erfassen. Und diese Abtastrate muss dann noch interpoliert werden.> Das braucht viele schnelle Multiplikationen.
Bin hierzu auf folgendes gestoßen:
http://www.desy.de/~garutti/LECTURES/ParticleDetectorSS12/L8_readoutElectronics.pdf
Den Shaper kann man mit einem Verstärker kombinieren, um die Impulse auf
quasi beliebige Form zu bringen.
Ich werde mir einen passenden Shaper mal (in LTspice) aufbauen. Wenn ich
eine Schaltung habe, werde ich sie hier posten. Dazu muss ich das aber
erst einmal völlig verstanden habe, insbesondere diese Kompensation, die
ein Unterschwingen verhindert.
Vermutlich werde ich als µC einen PIC32MZ (EF) verwenden. Der hat einen
recht flotten ADC, DSP-Befehle und 512k RAM. Ich denke, ich werde die
Pulse auf 5-10µs strecken und mit z.B. 10MSPS abtasten.
Gustl B. schrieb:> Also ja, ich bekomme mit so einem ADC Messungen der Eingangsspannung zu> einzelnen Zeitpunkten die aber einen festen Abstand zueinander haben.> Da kann man jetzt den genauen bandbreitenbegrenzten Signalverlauf> rekonstruieren.
Erstens kannst du genau DAS nicht und zweitens ist es sinnlos. Du hast
nämlich alles andere als einen bandbreitebegrenzten Spannungsverlauf.
Warum kapieren alle hier versammelten Programmierer solche einfachen
physikalischen Zusammenhänge bloß nicht?
Das Einzige, was wirklich ne Bank ist, das ist die schiere Menge der
Ladung, die aus dem Detektor rauskommt. In welcher Kurvenform IST
UNGEWISS UND UNBEDEUTEND. Die Kurvenform eines Hiebes von nur einigen
Nanosekunden kann man ohnehin nicht per Sampling erfassen - und wozu
auch!
Also konzentriert euch lieber darauf, wie man Ladungsmengen mißt, die in
kurzen, aber in ihrer Form unvorhersagbaren Stößen in den Eingang der
Elektronik hineinknallen. Oft genug binnen weniger Nanosekunden. Ich sag
da nur Passiver Integrator, also induktionsarmer kleiner Kondensator.
Dessen Größe bestimmt dann die zum Auswerten auflaufende Spannung und
damit den meßbaren Eingangs-Energiebereich.
Ja, die Abkling-Zeitkonstante kann man bei geringer Ereignishäufigkeit
schon einigermaßen groß machen und damit sich das Rechnen erleichtern.
Allerdings handelt man sich damit auch ein Pile-Up ein, was einem die
Ergebnisse an anderer Stelle versaut.
W.S.
W.S. schrieb:> Erstens kannst du genau DAS nicht und zweitens ist es sinnlos. Du hast> nämlich alles andere als einen bandbreitebegrenzten Spannungsverlauf.
Ähm ... also ich kann das vermutlich tatsächlich nicht, aber wenn das
Signal bandbreitenbegrenzt ist dann ist das schon möglich. Und begrenzen
kann man das selber durch einen Tiefpassfilter vor dem ADC.
Wenn da Ladung ankommt ist das ein Strom. An einem Widerstand ist dann
die Spannung proportional zum Strom. Der Strom oder die Spannung über
die Zeit aufsummiert ist also proportional zur Ladung.
Wo ist mein Denkfehler?
Ich würde also versuchen die Fläche unter dem Impuls zu bestimmen.
Aber weil diese Impulse doch immer die selbe Form haben kann man auch
sagen, dass die Maximalspannung proportional zur Energie ist. Man kann
also auch die Höhe bestimmen.
Ja, der Threadersteller hier muss nicht diese kurzen Impulse verwenden.
Er kann die pulseshapen und dann längere Impulse weiterverarbeiten.
Ich möchte diese kurzen Impulse aber verwenden weil bei sehr schnell
aufeinanderfolgenden Zerfällen nach dem Shaping die Impulse nicht mehr
zu unterscheiden sind.
@W.S.
Der Herr Rapp macht es, bis auf den Integrator, schon so wie Du es
beschreibst. Bei so einem kurzen Impuls bin ich mir nicht sicher ob man
das noch vernünftig integrieren kann.
Ich denke schon das die Amplitude des Impulses ein gutes Maß für die
über den Arbeitswiderstand des PMT's abfließenden Strom respektive
Ladungsmenge ist.
Mir ist schon klar das man mit einem Integrator die Ladungsmenge unter
dem Impuls erfasst. Die Frage bei derartig kurzen Impulsen ist halt nur
wie genau ich integrieren kann.
W.S. schrieb:> Ja, die Abkling-Zeitkonstante kann man bei geringer Ereignishäufigkeit> schon einigermaßen groß machen und damit sich das Rechnen erleichtern.> Allerdings handelt man sich damit auch ein Pile-Up ein, was einem die> Ergebnisse an anderer Stelle versaut.
Ich denke:
Die Abkling-Zeitkonstante muss man sogar einigermaßen groß machen.
Es ist ja nicht bestimmbar ob der Puls unmittelbar nach dem letzten
Sample oder unmittelbar vor dem aktuellen Sample erfolgt ist.
Je kleiner die Zeitkonstante umso größer wird der Fehler durch die
Zeitdifferenz Puls-Sample.
Hallo, ich kann mich an ein Projekt bei den Aerodynamikern (als
Student...) erinnern, wo eine Photomultiplier-Auswertung entwickelt
wurde. Dort wurde auch ein Ladungsverstärker eingesetzt, von
Teledyne-Philbrick der an die 1KMark kostete und Terra-Ohm-Widerstände
von je 2 oder 300DM (einige erinnern sich vielleicht an diese Firma...)
Wichtigste Parameter dabei waren Luftfeuchtigkeit und Raumtemperatur.
Für die Ablaufsteuerung der Messung wurde ein
"High-Speed-Schmitt-Trigger entwickelt, der mit automatischer
Offset-Korrektur und einer Anstiegszeit von 10pS arbeitete. Weiterhin
wurden 8 Sample-Hold-Stufen als Ringspeicher gebaut, damit man die
Spannungen in erträglicher Zeit auslesen konnte. Da ich das Institut
nach 2 Semestern verlassen mußte, weiß ich nicht, ob der Messplatz
fertig geworden ist. Aber ich denke, das Vorgehen müßte heute zumindest
ähnlich sein.
Gruß Rainer
Der Puls direkt von der Hardware ist schon sehr kurz - wenn auch nicht
im einstelligen ns Bereich. Auch der Szintillator gibt meist schon eine
Breite im Bereich einiger 10 ns, ggf. 100 ns, und die kann ggf. auch
variieren. Nach einem Verstärker mit begrenzter Bandbreite und
spätestens nach einen nennenswerten Stufe zur Pulsformung ist die
Pulsform durch diese Stufe vorgegeben. Die Pulsformung ist übrigens
nichts anders als eine Art Tiefpassfilterung, die spezielle so gewählt
ist, dass man eher keine Unterschwinger bekommt.
Wegen der festen Pulsform hat man für die Amplitudenbestimmung die Wahl
die Fläche zu bestimmen oder ersatzweise die Spannung im Maximum zu
messen. Die Messung der Peak-höhe ist der alte eher analoge Weg. Auch
dass geht für die eher großen Pulse ganz gut. Auch analog kann man die
Fläche unter dem Peak bestimmen, das ist aber relativ aufwändig.
Die Messung der Fläche geht ganz gut auch "digital", indem man ein paar
Werte aufsummiert. Wenn man über den peak verteilt genügend ADC werte
bekommt, könnte man theoretisch auch so etwas wie eine Kurvenanpassung
machen und so rauschen noch besser unterdrücken. Im Prinzip sind das 2
Schritte: einmal die Bestimmung der genauen Position und dann die
passende Amplitude. Die Amplitude wäre dann über eine gewichtete Summe
mit einer Funktion ganz ähnlich dem Peak als Wichtung.
Im Prinzip kann man dabei auch noch Pulse verarbeiten, wo 2 Peaks nicht
mehr ganz getrennt sind. Das ist dann aber rechnerisch schon aufwändiger
und eher nicht mehr in Echtzeit zu machen, sollte aber auch nicht so oft
vorkommen.
Ich erinnere mich auch noch vage, dass bei der Auswertung der
"Ringspeicher" ein sogenannter 5-8-Vergleich im Spiel war. Das wäre dann
sowas wie ein gewichteter Mittelwert. Außerdem war es seinerzeit
wichtig, dass kein Impuls verloren ging. Als untere Grenze sollten 500nS
erreicht werden. Aber wie gesagt...
Gruß Rainer
Hallo,
ich hab mal eine Schaltung zusammengeklickt, nach folgenden Quellen:
http://www.desy.de/~garutti/LECTURES/ParticleDetectorSS12/L8_readoutElectronics.pdfhttp://ns.ph.liv.ac.uk/~ajb/ukgs_nis/pre-course-material/lec2-03.pdf
Siehe Anhang. Ich hab mal die Simulation angehängt, und ein Bild der
Schaltung.
Jedenfalls wird der (kurze) Impuls über einen Ladungsverstärker erfasst.
Dahinter ist ein CR-RC Netzwerk, dass den Puls in der Bandbreite und der
Breite begrenzt. Mit 1-10MSPS sollte sich der Impuls gut abtasten
lassen.
Dahinter ist ein Verstärker.
Wo ich noch Tipps gebrauchen könnte:
R11 verhindert ein "Unterschwingen" nach dem Impuls. Mir ist nicht klar,
welchen Wert der haben muss.
Hier finde ich nichts in diversen Appnotes.
szintillator schrieb:> Jedenfalls wird der (kurze) Impuls über einen Ladungsverstärker erfasst.>> Dahinter ist ein CR-RC Netzwerk, dass den Puls in der Bandbreite und der> Breite begrenzt. Mit 1-10MSPS sollte sich der Impuls gut abtasten> lassen.
Obwohl ich das Ganze jetzt recht spannend finde, scheint mir die analoge
Auswertung doch auch bedenkenswert. Die ganzen "Begrenzungen", die
nachher herausgerechnet werden müssen, passen mir irgendwie nicht. Wenn
ich nachher noch "Bock" habe, dann versuche ich mal das, was ich in
Erinnerung habe, in Spice zu packen.
Gruß Rainer
szintillator schrieb:> szintillator
Hi, mich würde interessieren, welchen OP du in der Simulation verwendet
hast. Ein Ladungsverstärker ist schon eine Welt für sich!
Gruß Rainer
So kritisch sollte der OP nicht sein. Von der Tendenz her sollte ein
eher schneller JFET basierter OP passen. Wenn man keine so hohen
Ansprüche hat etwa LF356, wenn es etwas besser werden soll etwa OPA134.
Das Signal vom PMT ist normalerweise schon recht stark, dass man keine
so super rauscharmen Verstärker benötigt, und schneller vor allem wenn
man kurze Peaks braucht.
Ich habe mal so etwas nach der alten "analogen" Methode aufgebaut: Die
Pulsformung war einfach nur der Verstärker. Für den Tigger der µC
interne Komparator und dann ein Peakdetektor mit 2 OPs und dann auf den
ADC im AVR.
Wenn ich mich richtig erinnere irgendwas wie TL07x und LM318. Der LM318
als Puffer wo man sonst eigentlich einen low bias Typen erwartet, so
dass der Detektor definiert nach unten driftet und nie nach oben. Die
Schaltung ist nicht perfekt aber ausreichend, sofern das Signal gut ist.
Die digitale Auswertung könnte ggf. etwas weniger Rauschen liefern, was
vor allem bei kleinen Peaks (oder weniger effizienten Szintillator)
nützlich sein kann. Außerdem kann man überlappende Peaks besser
behandeln, was bei hoher Zählrate wichtig sein kann.
Lurchi schrieb:> Das Signal vom PMT ist normalerweise schon recht stark, dass man keine> so super rauscharmen Verstärker benötigt, und schneller vor allem wenn> man kurze Peaks braucht.
also "nicht bŕaucht", aber hat. wir wissen ja nicht, was der TO wirklich
messen will und deshalb bewegen wir uns auch im soften Ratebereich.
Lurchi schrieb:> Wenn ich mich richtig erinnere irgendwas wie TL07x und LM318. Der LM318> als Puffer wo man sonst eigentlich einen low bias Typen erwartet, so> dass der Detektor definiert nach unten driftet und nie nach oben.
Also das kann ich so nicht glauben...TL07x, das ist Bastelkram!
Und das Signal ist ein Strom-Signal, wo du die Elektronen wandern
sehen(zählen) kannst. Ein PMP! wird von was auch immer angeregt und
verstärkt dieses. Wie oft und wie stark hängt von der Anwendung ab.
Davon wissen wir auch noch nichts. Also, schaun mer mal, wie der Kaiser
sagt!
Gruß Rainer
Der TO hat schon geschrieben dass es ein Signal vom PMT ist, also schon
in der Röhre verstärkt. Das Signal ist also nicht so klein - wie hoch
hängt von der Röhre und Spannung ab, aber in der Regel braucht man
keinen super empfindlichen Verstärker, und wenn man es nicht schnell
haben will, reicht auch ein eher langsamer Type aus.
Kritisch wird es wenn man die Pulse sehr kurz haben will und dann mit
der Bandbreite in den >100 MHz Bereich geht. Normal braucht man dass
aber nicht.
Das einzige was wir nicht wissen ist die Art des Scintillators. Das
übliche wäre NaI(Tl), und da sind die Pulse in der Regel schon relativ
sauber, wenn die optische Ankopplung stimmt.
Lurchi schrieb:> Das Signal ist also nicht so klein - wie hoch> hängt von der Röhre und Spannung ab, aber in der Regel braucht man> keinen super empfindlichen Verstärker, und wenn man es nicht schnell> haben will, reicht auch ein eher langsamer Type aus.
Bin weder mit dem Einen noch dem Anderen einverstanden. Was soll
"langsame Type" heissen? Und in der Regel brauchst du eben einen
Ladungsverstärker! Und dieses Signal mußt du auswerten. Da wir aber
weder wissen, wie oft ein Puls beim TO kommt, noch wie hoch er ist, kann
man sich trefflich streiten.
Und aus meiner Studienzeit...auch wenn es heute Bauteile gibt, von denen
wir damals nur träumen konnten, bleibt immer noch die Grundregel: "Wer
mißt, mißt Mist"!
Gruß Rainer
Rainer V. schrieb:> Hi, mich würde interessieren, welchen OP du in der Simulation verwendet> hast. Ein Ladungsverstärker ist schon eine Welt für sich!> Gruß Rainer
Das Modell ist ein idealer OPV. Das hat den Vorteil, dass die Simulation
schneller läuft, und man sich nicht mit den Seltsamkeiten der Modelle
herumschlagen muss.
Deshalb tue ich die realen Modelle meist erst ganz am Schluss hinen.
Wichtig ist aus meiner Sicht:
- Ausreichende Bandbreite und Slew-Rate (>1MHz Bandbreite, >3V/µs
Slewrate)
- Geringer Eingangsstrom (<1µA)
- Rail2Rail In und Out
Ich verwende oft den OPA340, der passt hier anscheinend ganz gut. Der
hat 5,5MHz, 6V/µs und 60pA. Lt. einer Simulation mit dem Modell von TI
erfüllt er den Zweck.
Für den Szintillatorkristall hätte ich einen NaI(Tl) - Kristall
vorgesehen. Für die Röhre werde ich eine R9420 probieren. Wahrscheinlich
werde ich sie bei etwa 1kV betreiben (also ungefähr 100000 Verstärkung).
szintillator schrieb:> Wichtig ist aus meiner Sicht:> - Ausreichende Bandbreite und Slew-Rate (>1MHz Bandbreite, >3V/µs> Slewrate)> - Geringer Eingangsstrom (<1µA)> - Rail2Rail In und Out
Ja, aber bedenke, das deine Signale vielleicht nicht in dem Band liegen!
Und welche Pulshäufigkeit erwartest du??? Wir hatten seinerzeit
Wiederholraten unter 1µS. Analog eine wirkliche Herausforderung!
Gruß Rainer
SigmaDelta.png
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