Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie Wydział IEiT Katedra Elektroniki Podstawy Mikroelektroniki Temat ćwiczenia: Nr ćwiczenia 3 Analiza sygnałów z detektora paskowego 2016 r. Rev.1.1
I. Cel ćwiczenia a) Pomiar sygnałów z detektora paskowego b) Opracowanie programu do analizy sygnałów w środowisku Matlab (na podstawie otrzymanych danych) c) Przeprowadzenie analizy sygnałów d) Przygotowanie sprawozdania II. Wstęp teoretyczny Wstęp teoretyczny powstał w oparciu o pracę inżynierską: M. Czarniecki System do badań detektorów paskowych z użyciem promieniowania podczerwonego. Detektor paskowy - teoria Krzemowy detektor paskowy pełni rolę urządzenia, które rejestruje promieniowanie i jego zasada działania opiera się na wykorzystaniu złącza p-n. Jest ono spolaryzowane zaporowo. Detektor zamienia wiązkę fotonów na strumień elektronów odtwarzający wiernie docierające do niego kwanty światła. Historia detektorów krzemowych zaczyna się w latach 50 XX wieku, a pierwsze próby wykorzystania ich jako detektory pozycyjne przypadają na rok 1980, kiedy to J.Kemmer zastosował znaną technologię wytwarzania elementów półprzewodnikowych, aby otrzymać krzemowy detektor paskowy (technologia planarna). Właśnie wtedy pojawiły się możliwości wykonania detektorów o dużych powierzchniach. Detektory paskowe są czułe na promieniowanie jonizujące oraz podczerwone i są w stanie zarejestrować pojedyncze fotony padające na powierzchnie detektora. Krzemowe detektory paskowe znajdują zastosowania w wielu dziedzinach badawczych takich jak: fizyka jądrowa i fizyka wysokich energii, medycyna, astrofizyka, biofizyka. Detektor paskowy jednostronny - jest to taki detektor w którym złącza p-n są wykonane w postaci pasków ( z ang. Strips). Dzięki takiemu rozwiązaniu będziemy mogli uzyskać informacje o pozycji przejścia cząstki. Jedna strona takiego detektora nazywana jest stroną złączową, na niej znajdują się złącza p+-n. Natomiast druga strona jest nazywana stroną omową. Na rysunku 1 przedstawiona została topologia detektora paskowego. Każdy pasek jest podłączony do rezystora polaryzującego, zasilany z linii zasilającej i podłączony do wzmacniacza ładunkowego. Paskowe diody p-n wytwarzane są na płytce krzemowej typu n o rezystywności 5 kωcm. Każda dioda jest zasilana niezależnie przez rezystor polaryzujący. Rezystancja rezystora polaryzującego powinna być duża, ponieważ wartość ta wpływa na szum detektora. Paski metalowe, które są podłączone do elektroniki odczytu zostają wytworzone nad powierzchnią diod. Dzięki takiemu rozwiązaniu odcina się składową stałą prądu upływu. Paski metalowe realizują sprzężenie pojemnościowe pomiędzy wejściem wzmacniacza ładunkowego a diodą. Diody spolaryzowana są w kierunku zaporowym, dzięki temu tworzy nam się obszar zubożony. Obszar zubożony można powiększać przykładając dodatkowe napięcie. Ze względu na napięcie przebicia złącza i problemy związane z zasilaniem detektorów, napięcie pełnego zubożenia detektora powinno być stosunkowo niskie.
Rys. 1. Topologia jednostronnego detektora paskowego.[1] Odległość między sąsiednimi paskami jest istotnym parametrem. Parametr ten decyduje o dokładności wyznaczenia toru cząstki. Im większa będzie gęstość pasków, tym większa będzie dokładność. Jednak odległość nie może być również zbyt mała, ponieważ ładunek wygenerowany przez jedną cząstkę rozpłynie się na kilka pasków co pogorszy rozdzielczość pozycyjną detektora. Jeśli chodzi o grubość detektorów, to jest ona zależna od wartości stosunku sygnał-szum (SNR) jaki chcemy uzyskać. Cząstka minimalnie jonizująca generuje w detektorze o grubości 300 µm średnio 32 tysiące par elektron-dziura, dlatego w praktyce grubość detektora krzemowego jest równa około 300 µm. Dzięki elektronice niskoszumnej jesteśmy w stanie odczytać taki sygnał. Detektor i elektronika odczytowa wykorzystywana podczas laboratorium Detektor wykorzystywany w projekcie był jednostronnym detektorem paskowym typu DC. W detektorach o sprzężeniu stałoprądowym DC złącza p+ są bezpośrednio połączone z metalowym paskiem umożliwiającym odbiór zdeponowanych ładunków. Każda z diod jest połączona po stronie p+ do polikrzemowego opornika. Poprzez opornik, diody dołączone są do wspólnej szyny, która polaryzuje wszystkie złącza p-n w kierunku zaporowym.
Rys. 2. Testowany detektor. Parametry detektora: Wymiary detektora: 9,5x9,5 cm2 Ilość pasków: 768 Odległość między paskami (ang. Pitch) 121 µm Sygnał z pasków odczytywany jest za pomocą sześciu układów VA_SCM2. Pojedynczy układ VA_SCM2 posiada 128 niskoszumnych kanałów odczytowych pracujących równolegle. Chip zaprojektowany został dla detektorów ze sprzężeniem DC. W warunkach pracy układu straty mocy wynoszą około 10 mw, a gdy układ jest w stanie gotowości straty wynoszą zaledwie 5 mw. Schemat pojedynczego wzmacniacza możemy zobaczyć na rysunku 3.
Rys. 3. Schemat jednego ze 128 wzmacniaczy zastosowanych w układzie VA_SCM2. [2] Największą zaletą oraz najciekawszą cechą układu VA_SCM2 jest brak czasu martwego podczas akwizycji danych. Implementacja podwójnego układu S&H (Sample and Hold) dla każdego kanału umożliwia jednoczesne zbieranie ładunku i odczyt ładunku, który został zgromadzony w poprzednim cyklu. Te cechy pozwalają użytkownikowi na zebranie wysokich statystyk pomiarów w bardzo ograniczonym czasie ekspozycji. Za wybór kanału S&H odpowiedzialny jest sygnał SMP1. Sygnał SEL 1 decyduje, który kondensator będzie odczytywany. Tryb normalny pracy układu przedstawiono na Rys. 4. Rys. 4. Przebiegi czasowe dla pracy układu w trybie normalnym.[2] Stanowisko pomiarowe Test polega na pomiarze sygnału z detektora podczas oświetlania światłem lasera. Detektor jest umieszczony w szczelnie zamykanej kabinie, aby nie dostawało się tam zewnętrzne światło, które spowodowałoby zakłócenie pomiaru. Sterowaniem wiązki laserowej zajmuje się robot MICOS, który jest sterowany za pomocą programu napisanego w środowisku LabVIEW. Przesuwając wiązkę lasera wzdłuż jednej osi prostopadle do pasków możemy zarejestrować sygnał o konkretnym kształcie. Przy przesuwaniu źródła promieniowania prostopadle do pasków, przebieg sygnału z jednego kanału powinien przypominać kształt litery M. Powodem takiego kształtu przebiegu jest pasek metalowy, który znajduje się nad powierzchnią złącza p-n w detektorze. Gdy wiązka światła pada obok metalowego paska w złączu p-n, generowany jest ładunek, a detektor rejestruje sygnał. W momencie, gdy wiązka światła pada na metalowy pasek, światło zostaje odbite a wartość generowanego ładunku przez kanał maleje prawie do zera. W momencie, gdy wiązka minie metalowy pasek, ładunek w złączu p-n ponownie jest generowany. W programie LabVIEW przy braku światła detektor wskazuje wartość zero, natomiast im większe natężenie światła, tym bardziej ujemna wartość jest wyświetlana. Badanie detektora o tak dużej powierzchni powinno się odbywać w trzech różnych pozycjach. Wiązka światła porusza się w jednej płaszczyźnie prostopadle do pasków detektora. Na Rys. 5 można zaobserwować schemat badania detektorów paskowych. Źródło
promieniowania ustawiane jest w jednej z trzech pozycji, a następnie przesuwane jest wzdłuż jednej osi prostopadle do pasków. Rys. 5. Schemat badania detektora paskowego. Rys. 6. Schemat działania procesu pomiarowego. Rys. 6 przedstawia algorytm przeprowadzania pomiaru z detektor. Pierwszym krokiem jest kalibracja manipulatora MICOS. Następnie, zebrany zostaje piedestał, czyli sygnał przy nieoświetlonym detektorze. Piedestał jest różny dla każdego kanału, dlatego zbierany jest osobno dla każdego paska. Wartość piedestału wyznaczana jest przed pomiarem i jest to średnia arytmetyczna wartości odczytanych z danego kanału. Rys. 7 przedstawia piedestał dla 10000 próbek przy wyłączonym laserze. Wartość piedestału pozwala na ustalenie wartości zerowej dla każdego paska.
Rys. 7. Wyliczony piedestał. Na osi poziomej znajduje się numer paska, natomiast na osi pionowej znajduje się piedestał w jednostkach ADC. Następnym krokiem jest pomiar z włączonym laserem. Ilość próbek została ustawiona na 1000, dalej następuje rejestracja danych oraz przesunięcie ramienia robota o zadany krok 5μm (Rys. 8). Rys. 8. Wykres z jednego kanału detektora przy zmiennej pozycji źródła promieniowania podczerwonego.
[1] W. Kucewicz "Krzemowe detektory paskowe i ich zastosowanie w fizyce wysokich energii na przykładzie eksperymentu DELPHI", Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, 2000. [2] M, Jastrząb, Praca Dyplomowa Opracowanie Interfejsu Graficznego Użytkownika dla obsługi i wizualizacji danych generowanych przez ultraszybkie kamery krzemowe z łączem USB2.0, Kraków 2003 Analiza danych z detektora paskowego Analiza danych powinna przebiegać według algorytmu przedstawionego poniżej: Dane wejściowe Tablica piedestałów Przetwornik analogowo-cyfrowy a) Obliczanie szumu skorelowanego i nieskorelowanego Odejmowanie piedestałów Tablica szumów nieskorelowanych Odejmowanie szumu skorelowanego b) Próg dyskryminacji Wyznaczanie stosunku sygnału do szumu Wyszukiwanie sygnałów powyżej progu dyskryminacji c) Dane wyjściowe d) Rys. 9. Algorytm analizy danych z detektora paskowego.
Rys. 9 przedstawia kolejne etapy analizy sygnałów z detektora. Dzięki analizie udaje się wyłonić dwa paski (6 i 7), które zarejestrowały sygnał promieniowania. Przyjrzyjmy się kolejnym etapom: Przed przystąpieniem do detekcji cząstek (w ciemności) należy zebrać sygnał z wszystkich pasków detektora tzw. piedestał. Pozwoli to na stworzenie tablicy piedestałów. Jeżeli zarejestrowaliśmy sygnał z pasków wielokrotnie (np. wykonując 1000 odczytów) to piedestał dla danego paska będzie średnią z wszystkich akwizycji. Po stworzeniu tablicy piedestałów możemy przystąpić do analizy sygnałów, w których spodziewamy się, że zmierzone zostało promieniowanie. Po akwizycji otrzymujemy wykres a). Z wykresu trudno cokolwiek wywnioskować. Pierwsze co można zrobić to odjąć piedestały od wszystkich pasków korzystając z tablicy piedestałów. W ten sposób można najłatwiej ustawić wspólny poziom odniesienia dla wszystkich pasków. Otrzymujemy wykres b). Widać, że prawdopodobnie paskami które zarejestrowały promieniowanie są paski 6 i 7. Nie wiadomo natomiast czy np. paski 4, 8 i 9 również coś wykryły czy są jedynie zaszumione. Kolejnym krokiem będzie odjęcie szumu skorelowanego. Szum skorelowany opisuje sytuację, w której np. podczas pomiaru ktoś w pokoju obok włączył wiertarkę, zadzwonił telefon, lub w okolicy wybuchła bomba. Szum skorelowany będzie oddziaływał tak samo na wszystkie paski. W wyniku zewnętrznych zakłóceń poziom sygnału z wszystkich pasków może wzrosnąć lub opaść. Szum skorelowany wyliczamy dla danego pomiaru (danej akwizycji). Jest to wartość średnia sygnałów z wszystkich pasków. Gdy od sygnału z rysunku b) odejmiemy szum skorelowany otrzymamy sygnał z rysunku c). Widać, że kształt wykresu się nie zmienił, został on natomiast przesunięty w dół o wyliczony offset (szum skorelowany). Szum nieskorelowany opisuje indywidualnie każdy pasek. Np. w wyniku błędów konstrukcyjnych, uszkodzeń itp. może się zdarzyć iż niektóre paski bardzo mocno szumią. Szum ten jest wtedy nieskorelowany z pozostałymi paskami ani z zewnętrznymi zakłóceniami. Szum nieskorelowany rozpatrujemy więc osobno dla każdego paska. Jest on wyznaczany jako odchylenie standardowe z wszystkich akwizycji zebranych dla danego paska (już po odjęciu piedestału). W ten sposób uzyskujemy tablicę szumów nieskorelowanych o długości odpowiadającej liczbie pasków. Możemy przejść do wyznaczenia stosunku sygnału do szumu. Aby tego dokonać dzielimy wartość bezwzględną sygnału z c) przez szum nieskorelowany. Otrzymujemy wykres d). Ostatnie co należy zrobić do ustalić próg dyskryminacji (detekcji), który będzie określał czy dany pasek wykrył promieniowanie (cząstkę) czy nie. Na wykresie d) w celu łatwiejszego zrozumienia próg detekcji został ustawiony na jednakowym poziomie dla wszystkich pasków (wartość 5). Należy jednak ustalać próg indywidualnie dla każdego paska. Próg detekcji jest wartością arbitralną. Można obliczać go np. jak średnią wartość obliczonego już SNR dla danego paska. Po ustaleniu progu detekcji należy sprawdzić czy SNR dla danej akwizycji oraz danego paska przekracza zadany próg. Jeśli tak to zapisujemy, że podczas akwizycji pasek zarejestrował promieniowanie (cząstkę).
III. Przebieg laboratorium 1. Analiza danych ze skanowania detektora (Matlab). Dane ze skanowania detektora są zapisane w plikach: stripdata.txt, ws_stripdata.txt oraz ss_stripdata.txt, które znajduje się w folderze z instrukcją (Pulpit). Ze względu na duży rozmiar pliki proszę otwierać tylko w środowisku Matlab. Pliki zostały zapisane podczas skanowania powierzchni detektora (Rys. 5, Pozycja 1). Skanowany był cały detektor (768 pasków). W plikach znajdują się następujące dane: czas integracji ładunku we wzmacniaczu długość impulsu resetującego układ sample & hold opóźnienie zegara przetwornika liczba pomiarów dla pojedynczego położenia źródła promieniowania (np. 3000 oznacza, że wartość dla każdego paska została uśredniona z 3000 pomiarów) liczba układów użytych do pomiaru liczba pasków detektora położenie źródła promieniowania w mm (w zakresie od 160,057860 do 255,981200) Po zaimportowaniu pliku do programu Matlab zostaje on podzielony na data oraz textdata. Textdata zawiera informacje o położeniu źródła promieniowania dane te należy wydobyć, gdyż będą potrzebne do narysowania wykresu. Data to tablica dwuwymiarowa, w której każdy wiersz zawiera uśredniony pomiar z wszystkich 768 pasków. Liczba wierszy powinna odpowiadać liczbie położeń źródła promieniowania. Od wszystkich pomiarów została odjęta wartość piedestału (Rys.7) dla odpowiadających im pasków. W związku wartość sygnału dla nieoświetlonego paska powinna być bliska 0. Zadania (Matlab) Wgrać plik stripdata.txt. Opracować dwie funkcje: zależność wartości odczytanych z detektora od numeru pasku (dla wybranego położenia źródła promieniowania) oraz zależność wartości odczytanych z detektora od położenia źródła promieniowania (dla wybranego paska). Obie funkcje powinny posiadać opis. Argumentami funkcji powinny być odpowiednio: numer paska oraz położenie źródła promieniowania. Wywołana funkcja powinna rysować odpowiedni wykres z opisem osi oraz jednostkami (ADC, mm lub bezwymiarowa w przypadku numeru paska). Analizując pliki ws_stripdata.txt oraz ss_stripdata.txt proszę porównać wartości amplitud pomiędzy plikami. Z czego wynikają te różnice? 2. Analiza danych z pomiaru cząstek przez detektor (Matlab). Zadania (Matlab) Proszę przeprowadzić analizę sygnałów z detektora paskowego zgodnie z algorytmem z Rys. 9 (oraz jego opisem). Analizę należy przeprowadzić w programie Matlab posługując się niedokończonym skryptem detektor.m. Analizie poddane będą pliki piedestal_dane.txt oraz sygnal_dane.txt. Pochodzą one z pomiarów
wykonanych detektorem o 255 paskach. Dokonano 1000 pomiarów sygnałów z wszystkich pasków. piedestal_dane.txt zawiera sygnał zebrany w ciemności (będzie potrzebny do stworzenia tablicy piedestałów). Natomiast sygnal_dane.txt zawiera pomiary cząstek i Państwa zadaniem jest wydobycie z pliku informacji o wykrytych cząstkach: ich całkowitej liczbie, przez który pasek zostały wykryte oraz podczas której z tysiąca akwizycji. Należy uzupełnić m-plik odpowiednimi obliczeniami. Efektem obliczeń musi być wyświetlenie wyników na wykresach. Należy wyświetlić wykresy przedstawiające następujące dane: (a) Wykres piedestałów (dla wszystkich pasków) (b) Wykres szumu skorelowanego (dla wszystkich akwizycji) (c) Wykres szumu nieskorelowanego (dla wszystkich pasków) (d) Wykres liczby cząstek od paska, który je wykrył (e) Wykres liczby cząstek od zdarzenia (akwizycji) podczas której zostały wykryte Po przeprowadzeniu analizy proszę odpowiedzieć na pytania: Czy któryś z pasków był zaszumiony (posiadał wysoki szum nieskorelowany)? Czy pomiar był wyraźnie zakłócony przez zewnętrzne czynniki (np. wiertarka)? Jaka wartość progu detekcji została wybrana? IV. Opracowanie wyników. Sprawozdanie z wykonania ćwiczenia powinno zaczynać się tabelką Podstawy mikroelektroniki Tytuł: Imię i Nazwisko: Numer zespołu: Data wykonania ćwiczenia: Wydział, rok, grupa: Uwagi: Ocena: Co powinno znaleźć się w sprawozdaniu: skrypty w Matlabie/LabVIEW/inny program wykorzystywane do analizy danych razem z opisem pełnionej funkcji Wykresy obrazujące działanie skryptu (możliwość wykreślenia zależności natężenia światła od numeru pasku oraz położenia źródła promieniowania) Skrypty oraz wykresy uzyskane podczas analizy danych zebranych podczas zajęć Odpowiedzi na pytania z instrukcji Wnioski odnoszące się m.in. do ew. błędów pomiarowych oraz szumów w zebranych danych (jakie może być ich pochodzenie?) Opracował: Piotr Dorosz