RT Dissertation/Thesis
T1 Diseño de bloques analógicos de alta velocidad y técnicas de procesamiento digital para aplicación en detectores de física nuclear
A1 Sánchez Raya, Manuel
A2 Universidad de Huelva. Departamento de Ingeniería Electrónica, de Sistemas Informáticos y Automática
K1 Electrónica
K1 Control automático
AB Tradicionalmente, los sistemas front-end para detectores de partículas en aplicaciones de físicanuclear se han realizado mediante bloques analógicos discretos. La interconexión de los mismosdentro de la cadena de instrumentación electrónica permite extraer la información de interés, que enla mayoría de aplicaciones, son la energía de las partículas y el instante de llegada de las mismas. Enotros casos, también resulta necesario identificar el tipo de partícula que ha impactado en el sistemade detección. Las nuevas instalaciones de haces radiactivos que se van a construir en Europa en losdos próximas décadas constituyen un desafío para el desarrollo de una nueva generación de sistemasde detección de partículas cuyos esfuerzos deben estar enfocados hacia los sensoressemiconductores, la electrónica de acondicionamiento y los sistemas de control.Esta tesis presenta un doble enfoque: por un lado, se centra en desarrollar bloques analógicosdiscretos claves en sistemas front-end que acondicionan las señales procedentes de detectoressemiconductores, 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 paraidentificar partículas.En la tesis se propone un nuevo amplificador sensible a la carga que presenta la salida de cargaconvencional para medir la energía depositada por las partículas en el detector, y también una salidade corriente o temporización que mantiene la forma del pulso, y que se puede utilizar para laidentificación de partículas mejorando otros métodos convencionales basados en la medida deltiempo de subida de la señal de carga. El preamplificador ha sido diseñado con reducidasdimensiones y bajo consumo de potencia.En segundo lugar se ha diseñado un shaper unipolar casi-gausiano basado en la utilización de unfiltro activo RC con polos complejos. El circuito presenta un nuevo esquema del circuito derestauración de la línea de base de los pulsos, e incorpora un sistema de control remoto de susprincipales 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 implementadoun discriminador de fracción constante adecuado para medir el tiempo de vuelo de las partículas queinciden en los detectores que alcanza elevadas resoluciones del orden de 500 ps para un ampliorango dinámico.Por otro lado, el desarrollo de las nuevas tecnologías hace atractivo la incorporación detécnicas de procesamiento digital en este campo de investigación permitiendo una simplificación dela electrónica y un mayor grado de flexibilidad. En esta línea, se propone una nueva técnica deidentificación de iones mediantes el análisis de la forma de los pulsos utilizando redes neuronalesartificiales implementadas en una FPGA. El diseño de dicha red ha sido realizada mediante un modeloconfigurable 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 dedetección de partículas cargadas para aplicaciones de espectroscopia.
AB Traditionally, front-end systems for particle detectors in nuclear physics applications were madewith discrete analog blocks. The interconnecting of these blocks in the chain of electronicinstrumentation allows extracting the relevant information, which in most applications, are the energy ofthe particles and the time of arrival. In other cases, also it is necessary to identify the type of particlewhich has impacted on the detection system. The new radioactive beam facilities that will be built inEurope in the next two decades are a challenge for the development of a new generation of particledetection systems and the efforts must be focused on semiconductor sensors, conditioning electronicsand control systems.This thesis presents a dual approach: first, it focuses on developing discrete analog blocks forfront-end systems that conditioning the signals from semiconductor detectors, and that they are able tomeet the demanding requirements of speed, linearity, resolution and accuracy. Furthermore, in thedigital domain has been developed a new technique for identifying of particles.The thesis proposes a new charged sensitive amplifier that exhibits the conventional chargeoutput to measure the energy deposited by the particles on the detector, and also a current output ortiming output that keeps the pulse shape, and can be used for identification of particles improvingconventional methods relying on measuring the rise time of the charge signal. The preamplifier isdesigned with small size and low power consumption.Secondly we have designed a near-Gaussian unipolar shaper based on the use of an RC activefilter with complex poles. The circuit presents a new base line restorer for the pulses and includes aremote 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 fractiondiscriminator suitable for measuring the flight time of the particles reaching high resolutions on the orderof 500 ps for a wide dynamic range.Furthermore, the development of the modern technologies makes attractive the use of digitalprocessing techniques in this field of research allowing a simplification of the electronics and a higherflexibility. In this way, we propose a new identification technique of ions by means of the analysis of theshape of the pulses using artificial neural networks implemented in an FPGA. The design of the networkhas been performed using a configurable VHDL model for a better adaptation to the characteristics ofa particular experiment.The designs of the thesis are focused on silicon detectors that are used in detection systems of chargedparticles for spectroscopy applications.
PB Universidad de Huelva
YR 2013
FD 2013
LK http://hdl.handle.net/10272/8087
UL http://hdl.handle.net/10272/8087
LA spa
DS Repositorio Institucional de la Universidad de Huelva
RD 31 may 2026