master de energia nuclear - introduccion a la electronica nuclear

Leccin 5.- INTRODUCCIN A LA ELECTRNICA NUCLEAR

NDICE

5.-

INTRODUCCIN A LA ELECTRNICA NUCLEAR.

5.1.- La cadena electrnica analgica. 5.2.- El preamplificador. 5.2.1.- Tipos de preamplificadores. 5.2.2.- Peculiaridades de funcionamiento de los preamplificadores. 5.3.- El amplificador lineal. 5.4.- Consideraciones sobre la relacin seal/ruido. 5.5.- Redes CR de diferenciacin. 5.6.- Redes RC de integracin. 5.7.- Conformacin CR-RC. 5.8.- Conformador gaussiano, 0 CR-(RC)n. 5.9.- La cancelacin polo-cero. 5.10.- El desplazamiento de la lnea base. 5.11.- La restauracin de la lnea base. 5.12.- Apilonamiento de impulsos. 5.13.- El rechazador de apilonamiento. .5.14.- El analizador multicanal. 5.15.- Convertidor analgico-digital. 5.15.1.- Frecuencia de conversin. 5.15.2.- Linealidad. 5.15.3.- El tiempo muerto.

5.- INTRODUCCIN A LA ELECTRNICA NUCLEAR. / 1

5.- INTRODUCCIN A LA ELECTRNICA NUCLEAR 5.1.- LA CADENA ELECTRNICA ANALGICA. Como se ha visto en temas tratados anteriormente, el impulso de carga originado por la interaccin de la radiacin ionizante en el detector, se transforma en un impulso de tensin que, en condiciones espectroscpicas, su amplitud es proporcional a la energa liberada por el evento ionizante en el detector. Sin embargo, la medida del histograma de amplitudes de los impulsos comporta un tratamiento previo, para amplificar, conformar y mejorar la relacin seal-ruido de los impulsos a analizar, de cuya misin se encarga la cadena electrnica analgica del espectrmetro. Por ello, se estudiarn seguidamente los elementos modulares que cumplen estas condiciones especficas.

5.2.- EL PREAMPLIFICADOR. La transmisin del impulso de tensin desde el detector, hasta un amplificador lineal donde sufra una magnificacin que lo lleva al intervalo 0 -10 V presenta ciertas dificultades. Si la transmisin se hace mediante un cable ordinario, sobre ste se inducen seales que van desde parsitos de ignicin en automviles, hasta seales de radiofrecuencia de emisoras de radio y televisin, con lo cual la seal transmitida alcanza al amplificador fuertemente parasitada por un elevado nivel de ruido. Si por el contrario, para evitar la induccin de seales indeseables, se enva el impulso a travs de un cable coaxial, la capacidad del cable Cc se sumar a la capacidad parsita del detector, cp, con lo que si se deposita una carga Q en el electrodo colector, el tamao de impulso que llegara al amplificador sera

V =

Q cp + Cc

y como Cc >> cp, el impulso resultante sera de tan pequea amplitud que podra ser indiscernible del ruido. En la jerga electrnica se dice en este caso que el cable se ha comido el impulso. La salida de este aparente dilema se alcanza razonando sobre las causas que gobiernan este indeseable comportamiento. As, el detector es un sistema que posee una alta impedancia de salida, mientras que el cable coaxial es de comportamiento contrario, pues define un sistema de baja impedancia de entrada. Se requiere pues intercalar entre ambos sistemas un adaptador, de suerte que tenga una alta impedancia de entrada, y baja de salida, y que permita el paso del impulso sin producir efectos alineales en su amplitud. Este mdulo es el preamplificador, nombre algo desafortunado pues propiamente el preamplificador no amplifica, sino que por el contrario atena ligeramente la seal procesada. Aunque la funcin descrita del preamplificador como unidad interfase entre el detector y el amplificador, sus misiones como veremos seguidamente se extienden sobre funciones no menos importantes. En primer lugar en el preamplificador est situada la resistencia que con la capacidad

2 / 5.- INTRODUCCIN A LA ELECTRNICA NUCLEAR.

parsita configuran la constante de tiempo, que debe ser, como se ha visto anteriormente, mucho mayor que el tiempo de captacin de la carga, para lograr que la amplitud alcanzada sea proporcional a la energa, y no exista dficit balstico, o sea que el impulso no alcance el tamao mximo que mantenga la proporcionalidad citada. El preamplificador debe ir instalado en la ms ntima proximidad respecto al detector, puesto que como hemos visto una de sus misiones reside en minimizar la capacidad asociada al electrodo colector del detector. Por otra parte, el preamplificador no conforma el impulso, funcin que como se ver seguidamente realiza el procesador. El impulso que entrega un preamplificador tiene un tiempo de elevacin rpido, tanto como sea posible de acuerdo con el tiempo de captacin de carga de la seal, y el tiempo de cada suele ser lento, configurado por una constante de tiempo, cuyo valor tpico suele ser 50 100 s. El corazn de los modernos preamplificadores es casi invariablemente transistor de efecto campo, representado esquemticamente en la Figura 5.1 que bsicamente consta de un semiconductor N por el que circula corriente entre dos electrodos llamados fuente y drenaje. Transversalmente al paso de la corriente citada existen dos zonas p que configuran sendos campos de carga espacial, cuya anchura viene determinada por la diferencia de potencial existente entre la fuente y la puerta, tercer electrodo conectado a las dos zonas p. Se puede observar que la anchura del canal N por el que circula la corriente depende de la expansin de las zonas de carga espacial p y en consecuencia el paso de la corriente desde la fuente al drenaje viene comandado por la tensin aplicada a la puerta. El sistema posee una impedancia muy elevada entre la puerta y el sumidero, y muy baja entre fuente y puerta.

Tipo p

p Canal n p

Puerta

Fuente Tipo p

Drenaje

Figura 5.1.- Esquema de un transistor de efecto campo.


5.2.1.- Tipos de preamplificadores. Los preamplificadores, segn la forma como realizan su funcin se clasifican en dos grandes grupos: sensibles a tensin y sensibles a carga. Los amplificadores sensibles a tensin son histricamente, los ms convencionales en muchas aplicaciones. En la Figura 5.2 se pueden apreciar detalles esenciales en el diagrama simplificado de un sistema sensible a tensin: en la parte a) se representa el sistema llamado de acoplamiento con alterna y en b) el acoplamiento en continua. Si como hemos visto anteriormente, el sistema trabaja sin dficit balstico, la amplitud de impulso ser

V =

Q cp

y si cp es constante, cual ocurre por ejemplo a los detectores de ionizacin y centelleo, la amplitud es proporcional a la carga colectada.+ H.V.

a)DET. Cc FET G D S

Cp

b)R - H.V. G Cp i DET. FET RD D S B +

Figura 5.2.- Diagrama simplificado de un sistema sensible a tensin. a) Acoplamiento con alterna. b) Acoplamiento en continua En los preamplificadores sensibles a tensin acoplados en alterna, solo el electrodo colector va unido a la fuente de polarizacin: el otro electrodo va conectado a masa, lo que en ocasiones permite un manejo ms cmodo del detector, que se puede utilizar sin riesgo de recibir un choque elctrico. El condensador de acoplo cc es una fuente adicional de ruido electrnico y como se ver ms adelante da lugar al indeseable fenmeno del corrimiento de la lnea base. Por ello,


modernamente se prefiere el acoplamiento en continua, ilustrado en la Figura 5.2b, que exige como se ve en el diagrama que ambos terminales del detector estn aislados de masa. Los detectores de semiconductor requieren preamplificadores sensibles a carga, debido a que en este caso particular, no es vlida la suposicin de invarianza de la capacidad asociada al electrodo colector. Efectivamente, se demuestra que la capacidad, por unidad de rea, que presenta una unin N - F inversamente polarizada cuya resistividad sea , polarizado a una tensin V escp = 1 2 v

Como quiera que la tensin de polarizacin se aplica al detector a travs de una resistencia de carga RL (Figura 5.2) del orden del G, las fluctuaciones estadsticas de la corriente que circula por la resistencia, se traducen en variaciones de la tensin efectiva de polarizacin aplicada al diodo, como el resultado de que la capacidad cp igualmente fluctuar, lo que de no tomar ninguna medida, contribuira de forma ostensible a la degradacin de la resolucin energtica. La solucin adoptada para obviar esta dificultad es la utilizacin de los preamplificadores sensibles a carga. En la Figura 5.3 se ilustra el caso de un preamplificador con realimentacin resistiva: en general, estos dispositivos no son ms que amplificadores fuertemente realimentados de salida a entrada a travs de la capacidad cf y la resistencia Rf.

+A FET Si(Li) Detector

Salida

Cf Rf

Tensin de polarizacin Filtro

Figura 5.3.- Esquema de un preamplificador con realimentacin resistiva.


Se demuestra que en este caso la amplitud del impulso de salida viene dada por la expresin:

V =

Q cf

con lo que la capacidad en la que se integra el, impulso de corriente ya no es la variable cp, sino la capacidad fsica estable cf de realimentacin. Por la difusin de este montaje en los espectrmetros de rayos X merece la pena insistir en ciertas peculiaridades de montaje incluidas en la Figura 5.3. La tensin de polarizacin, del orden de 1.000 V, se aplica al detector a travs de un filtro de alta tensin, que cumple con el doble cometido de eliminar un rizado eventual de la tensin de polarizacin, y actuar como circuito de temporizacin a fin de que en la conexin o desconexin del detector a la fuente de polarizacin, no se aplique o corte de golpe la tensin que recibe el transistor de efecto campo, sin cuya accin podra daarse irreversiblemente este componente. El preamplificador consiste en el transistor de efecto campo, el amplificador realimentado A y los elementos de realimentacin cf y Rf. Los componentes incluidos en el rectngulo punteado de la figura se montan en el criostato en el recinto de alto vaco, operando el detector a temperatura prxima a la del nitrgeno lquido con el doble objeto de minimizar la corriente inversa de fuga y en el caso de los detectores compensados con litio, reducir la movilidad de los iones Li+. El transistor de efecto campo trabaja en condiciones ptimas de nivel de ruido a unos 130 ? K, temperatura que se alcanza montando este componente en un divisor de temperatura. La misin de la resistencia Rf es facilitar un camino de descarga al condensador tras cada impulso, por lo cual se pens en suprimirla introduciendo un artificio que facilitara esta descarga. En la Figura 5.4 se incluye el esquema de principio de un preamplificador sensible a carga de realimentacin optoelectrnica, que difiere del sistema de realimentacin resistiva descrito en que se ha suprimido la resistencia Rf y en su lugar se ha incorporado un sistema ptico.

DISCRIMINADOR DE PUESTA A CERO

LED

+A FET Si(Li) Detector Cf -1.000 V

Salida

Figura 5.4.- Esquema de un preamplificador sensible a carga de realimentacin optoelectrnica.


El funcionamiento del preamplificador sigue ahora la siguiente pauta: la carga de cada fotn X detectado se permite que se integre en el condensador de realimentacin, cf, producindose una escalera de impulsos a la salida del preamplificador. Igual que en el caso anterior, la amplitud de cada escaln, o impulso, es proporcional a la energa del fotn disipada en el detector. Cuando la tensin del ltimo peldao de la escalera comienza a aproximarse a la mxima tensin de operacin, acta un discriminador de vuelta a cero, que provoca el encendido de un diodo electroluminiscente montado en gran proximidad con el transistor de efecto campo, de suerte que recibe la luz la zona que separa la unin entre la puerta y el drenaje. Este proceso desencadena una fotoconductividad entre ambos electrodos, lo cual facilita al condensador la deseada va de descarga. El preamplificador de realimentacin optoelectrnica tiene como era previsible un nivel intrnseco de ruido menor, manteniendo el resto de cualidades del preamplificador de realimentacin resistiva, pero ofrece la desventaja de incrementar el tiempo muerto del sistema debido a los intervalos de puesta a cero del condensador.

5.2.2.- Peculiaridades de funcionamiento de los preamplificadores. Probablemente la especificacin ms importante para un preamplificador es su figura de ruido, expresada como anchura a mitad de altura de la funcin de respuesta del sistema, debida nicamente al ruido del preamplificador. La figura de ruido es funcin de la carga capacitiva de la entrada del preamplificador, por lo que conviene mantener esta magnitud lo ms baja posible. Otro punto importante en los preamplificadores es que son bastante susceptibles de alcanzar su nivel de saturacin ante grandes impulsos, como por ejemplo los causados por la radiacin csmica. As surge la necesidad de que estos mdulos posean una buena capacidad de sobrecarga.V0 Nivel de saturacin Seal distorsionada

t

Figura 5.5.-


Debido a que los impulsos del preamplificador tienen colas muy largas y apilonamiento es inevitable salvo para tasas de recuento muy bajas. Aunque los efectos de este apilonamiento son eliminados en su mayor parte en el proceso de conformacin de impulsos, como se ver ms adelante, el fenmeno de apilonamiento puede dar lugar a fenmenos de alinealidad por saturacin como se indica en la Figura 5.5. Si el apilonamiento es lo suficientemente frecuente, el nivel medio de la seal resultante sube constantemente y puede alcanzar el lmite superior de respuesta lineal, con lo que algunos impulsos pueden ser graves e irremediablemente distorsionados. Esta situacin explica la prdida de resolucin energtica observada en los espectrmetros de radiacin cuando la tasa de recuento rebasa ciertos valores crticos.

5.3.- EL AMPLIFICADOR LINEAL. En la espectrometra de radiacin, prcticamente todas las lneas de trabajo confluyen sobre la problemtica de la medida de la distribucin de amplitud de los impulsos producidos en detectores adecuados, donde el mximo inters se centra en la medida de la posicin del centroide y del rea de las lneas espectrales registradas. Desde el punto de vista de seleccin de los componentes de la cadena electrnica, es mandataria la prioridad que demanda la resolucin energtica propia de cada detector. En los casos en los que la resolucin sea relativamente pobre, se alcanzan con cierta facilidad las condiciones requeridas, pero en circunstancias en que se utilizan detectores de alta resolucin, se requiere una atencin cuidadosa en la cadena electrnica analgica en la que el impulso es procesado, para asegurar que sea despreciable la degradacin de la resolucin intrnseca del detector, introducida por el resto de componentes de la cadena espectromtrica. Segn lo expuesto, el amplificador lineal, mdulo electrnico conectado a la salida del preamplificador, es un componente de gran importancia, ya que en el se realizan un nmero importante de funciones crticas. Una de las misiones ms importantes que cumple este dispositivo, es mayorificar o amplificar proporcionalmente las amplitudes de los impulsos que anidan a su entrada. Sin embargo, su funcin generalizada, la conformacin de impulsos engloba no solo la amplificacin mencionada, sino otras tales como el estrechamiento de impulsos que posibilita el manejo de tasas de recuento ms elevadas, as como la mejor adecuacin del impulso a los mdulos que siguen al amplificador, la mejora de la relacin seal/ruido que asegura la optimizacin de la resolucin energtica del espectrmetro, la restauracin de la lnea base, garantizando la constancia del nivel de referencia de la amplitud de los impulsos, y el rechazo de apilonamiento, para impedir que se falseen las amplitudes reales de impulsos, inhibiendo la acumulacin de aquellos que presentan efectos de superposicin. Tal multiplicidad de funciones justifica la mejor denominacin del instrumento, procesador de impulsos, denominacin que parece ms consecuente con su pluralidad de operaciones, va paulatinamente sustituyendo al ms restringido concepto de amplificador.


5.4.- CONSIDERACIONES SOBRE LA RELACIN SEAL/RUIDO. Los impulsos que alcanzan la entrada del procesador procedentes del preamplificador tienen dos propiedades indeseables: una cola excesivamente larga, regida como se ha visto por una constante de tiempo de unos 50 s, y el hecho de que cabalguen sobre una lnea de base ruidosa, como se ilustra en la Figura 5.6. desafortunadamente las fuentes de ruido ms importantes se encuentran en las etapas iniciales de la cadena seguida por la seal, donde su amplitud es mnima y por ello el ruido generado en estos puntos sufre la misma amplificacin que la seal, situacin que ya no sucede con otras fuentes de ruido posteriores. Por esta razn, el ruido procedente del detector y preamplificador causa los mayores problemas, y por ello plantea la utilizacin de mtodos que permitan reducir en lo posible esta fluctuacin estadstica, mejorando as la relacin de seal a ruido, o lo que es lo mismo, optimizando la resolucin energtica del espectrmetro.H H0

RMSdN/dH

Nivel medio de ruido

FWHM

H0

H

Figura 5.6.Una situacin favorable que permite alcanzar razonablemente este propsito es la gran diferencia que presentan los espectros de frecuencia del ruido y de la seal pues, mientras el primero es muy amplio con frecuencias que se extienden desde cero hasta valores muy elevados, por lo que es casi asimilable a ruido blanco (espectro de frecuencias homogneo, de 0 a infinito Hz). En contraste con el ruido, el espectro de frecuencia de los impulsos de seal queda confinado a una banda mucho ms estrecha. Por ejemplo, una seal de un detector, cuyo tiempo de captacin, tc, sea del orden del s no contendr nunca informacin temporal en la escala de tiempo del ns. Por ello, un filtro frecuencial pasabajos, situado a la salida del preamplificador eliminar la componente de ruido de alta frecuencia, sin alterar la informacin intrnseca de la seal. Similarmente, el ruido de baja frecuencia que puede perturbar la seal, como es por ejemplo la captacin de la seal de 60 Hz de la red elctrica, se puede eliminar con otro filtro pasaalto, con lo que entre ambos filtros se configura otro, de banda, de tal suerte que su intervalo frecuencial de transmisin coincida con el intervalo frecuencial que define la seal. As de esta forma, se podr eliminar una fraccin sustancial de ruido sin alterar prcticamente el impulso, realizndose electrnicamente este filtrado analgico en el dominio tiempo, mediante los llamados


circuitos de diferenciacin e integracin. Por otra parte, subsiste an el problema, de que para minimizar el dficit balstico, se requiere formar en el preamplificador impulsos cuya duracin es indeseablemente larga. Si la tasa de contaje del sistema no es muy pequea, estos impulsos tendern a cabalgar en la cola de otro u otros anteriores dando lugar a un tren de impulsos, en la forma en que se ilustra en la Figura 5.7aV(t)

a)

t

V(t)

b)

t

Figura 5.7.Dado que en la amplitud mxima de estos impulsos, se encierra la informacin espectroscpica de la seal, el apilonamiento falseara en forma aleatoria la distribucin de amplitudes, y el instrumento se saldra de las condiciones espectroscpicas. La solucin ideal de este problema, es conformar estos impulsos de suerte que se conviertan en los representados en la Figura 5.7b, donde como se observa, se han amputado completamente las molestas colas, reducindose notablemente la duracin del impulso, pero preservndose su amplitud mxima. La solucin ms simple para lograr este objetivo es utilizar redes RC de conformacin, o sea circuitos formados con elementos pasivos, que producen una alteracin prevista y deseada en la forma de impulso.

5.5.- REDES CR DE DIFERENCIACIN. En la Figura 5.8 se ilustra el llamado circuito CR; se puede demostrar que si la variacin de tensin en su entrada es en forma de funcin escaln la tensin de salida sigue la funcind E entrada dt con la condicin de que sea suficientemente pequea la constante de tiempo del circuito, Rc = , frente al tiempo de variacin de la seal. E salida


C

E

entrada

R

E

salida

E entrada (t)

E salida (t)

E

E

E salida = E e

-t/

0

t

0

t

Figura 5.8.- Esquema de un circuito CR. Igualmente se puede demostrar que el circuito se comporta como filtro, ya que permite el paso de frecuencias elevadas, atenuando sin embargo las bajas. La forma funcional de la respuesta de esta red, explica su denominacin, red CR de diferenciacin. La respuesta del circuito ante una funcin escaln para la cual E (t $ 0) Eentrada = 0 (t

master de energia nuclear - introduccion a la electronica nuclear

Documents