Diseño de bloques analógicos de alta velocidad y técnicas de procesamiento digital para aplicación en detectores de física nuclear

Resumen

Tradicionalmente, los sistemas front-end para detectores de partículas en aplicaciones de física nuclear se han realizado mediante bloques analógicos discretos. La interconexión de los mismos dentro de la cadena de instrumentación electrónica permite extraer la información de interés, que en la mayoría de aplicaciones, son la energía de las partículas y el instante de llegada de las mismas. En otros casos, también resulta necesario identificar el tipo de partícula que ha impactado en el sistema de detección. Las nuevas instalaciones de haces radiactivos que se van a construir en Europa en los dos próximas décadas constituyen un desafío para el desarrollo de una nueva generación de sistemas de detección de partículas cuyos esfuerzos deben estar enfocados hacia los sensores semiconductores, la electrónica de acondicionamiento y los sistemas de control. Esta tesis presenta un doble enfoque: por un lado, se centra en desarrollar bloques analógicos discretos claves en sistemas front-end que acondicionan las señales procedentes de detectores semiconductores, y que sean capaces de satisfacer los exigentes requisitos de velocidad, linealidad, resolución y precisión. Por otro lado, en el dominio digital se ha desarrollado una nueva técnica para identificar partículas. En la tesis se propone un nuevo amplificador sensible a la carga que presenta la salida de carga convencional para medir la energía depositada por las partículas en el detector, y también una salida de corriente o temporización que mantiene la forma del pulso, y que se puede utilizar para la identificación de partículas mejorando otros métodos convencionales basados en la medida del tiempo de subida de la señal de carga. El preamplificador ha sido diseñado con reducidas dimensiones y bajo consumo de potencia. En segundo lugar se ha diseñado un shaper unipolar casi-gausiano basado en la utilización de un filtro activo RC con polos complejos. El circuito presenta un nuevo esquema del circuito de restauración de la línea de base de los pulsos, e incorpora un sistema de control remoto de sus principales parámetros de funcionamiento para facilitar la realización de experimentos en tiempo real. Finalmente, dentro de la parte analógica de un sistema front-end, también se ha implementado un discriminador de fracción constante adecuado para medir el tiempo de vuelo de las partículas que inciden en los detectores que alcanza elevadas resoluciones del orden de 500 ps para un amplio rango dinámico. Por otro lado, el desarrollo de las nuevas tecnologías hace atractivo la incorporación de técnicas de procesamiento digital en este campo de investigación permitiendo una simplificación de la electrónica y un mayor grado de flexibilidad. En esta línea, se propone una nueva técnica de identificación de iones mediantes el análisis de la forma de los pulsos utilizando redes neuronales artificiales implementadas en una FPGA. El diseño de dicha red ha sido realizada mediante un modelo configurable VHDL para una mejor adaptación a las características de un experimento en particular. Los diseños de esta tesis están orientados a detectores de silicio que son utilizados en sistemas de detección de partículas cargadas para aplicaciones de espectroscopia. Traditionally, front-end systems for particle detectors in nuclear physics applications were made with discrete analog blocks. The interconnecting of these blocks in the chain of electronic instrumentation allows extracting the relevant information, which in most applications, are the energy of the particles and the time of arrival. In other cases, also it is necessary to identify the type of particle which has impacted on the detection system. The new radioactive beam facilities that will be built in Europe in the next two decades are a challenge for the development of a new generation of particle detection systems and the efforts must be focused on semiconductor sensors, conditioning electronics and control systems. This thesis presents a dual approach: first, it focuses on developing discrete analog blocks for front-end systems that conditioning the signals from semiconductor detectors, and that they are able to meet the demanding requirements of speed, linearity, resolution and accuracy. Furthermore, in the digital domain has been developed a new technique for identifying of particles. The thesis proposes a new charged sensitive amplifier that exhibits the conventional charge output to measure the energy deposited by the particles on the detector, and also a current output or timing output that keeps the pulse shape, and can be used for identification of particles improving conventional methods relying on measuring the rise time of the charge signal. The preamplifier is designed with small size and low power consumption. Secondly we have designed a near-Gaussian unipolar shaper based on the use of an RC active filter with complex poles. The circuit presents a new base line restorer for the pulses and includes a remote control system of the main parameters to facilitate the realization of real-time experiments. Finally, into the analog part of the front-end system, has also implemented a constant fraction discriminator suitable for measuring the flight time of the particles reaching high resolutions on the order of 500 ps for a wide dynamic range. Furthermore, the development of the modern technologies makes attractive the use of digital processing techniques in this field of research allowing a simplification of the electronics and a higher flexibility. In this way, we propose a new identification technique of ions by means of the analysis of the shape of the pulses using artificial neural networks implemented in an FPGA. The design of the network has been performed using a configurable VHDL model for a better adaptation to the characteristics of a particular experiment. The designs of the thesis are focused on silicon detectors that are used in detection systems of charged particles for spectroscopy applications.