Resumen de Procesamiento digital de señal aplicado a la detección de partículas energéticas
- español
La Espectroscopía aplicada a la Electrónica Nuclear tiene como fin la caracterización de las partículas energéticas que llegan a un determinado detector. Esta caracterización se lleva a cabo mediante el procesamiento de señal en cadenas de detección. La precisión en la caracterización de estas partículas se denomina resolución. El análisis de la resolución en sistemas de espectroscopia analógicos ha sido profundamente estudiado en estas últimas cuatro décadas. Dicha resolución es inversamente proporcional al ruido que se genera en los detectores y la electrónica asociada. Este ruido puede tener diferente espectro de frecuencia dependiendo de los componentes del detector o del tipo de cadena de detección utilizada. Con el desarrollo de los circuitos integrados, la electrónica digital se ha utilizado en estas cadenas de detección, desplazando el uso de su equivalente analógica, con las correspondientes ventajas que conlleva -inclusión de varias etapas en un único circuito integrado, menor volumen y consumo, reconfigurabilidad, etc.-. Sin embargo, este cambio de tecnología, de analógico a digital, incrementa la complejidad de la cadena de detección y el número de fuentes de ruido. Esto es debido principalmente a que en el esquema básico de una cadena de detección se añaden dos nuevos elementos: un Conversor Analógico-Digital (ADC) y un conformador digital, ambos situados antes de la etapa de análisis del pulso. Este trabajo de investigación estudia la influencia en la resolución total del sistema de espectroscopía de los parámetros debidos a su implementación en electrónica digital, como pueden ser el orden del conformador, la frecuencia de muestreo, el ruido de cuantización o el tipo de conformación. Además se han desarrollado distintos algoritmos que permiten averiguar la frecuencia de muestreo y conformaciones óptimas, para una cadena de detección de partículas energéticas determinada, con el objetivo de realizar una detección más eficaz. Para acelerar la ejecución de dichos algoritmos se han implementado en hardware utilizando dispositivos reconfigurables del tipo FPGA (Field Programmable Gate Array). Otros trabajos de investigación anteriores se podrían clasificar como "investigación básica" dirigidos fundamentalmente a la adquisición de nuevos conocimientos sin incluir trabajos experimentales. Sin embargo en este trabajo de investigación los diferentes algoritmos propuestos han sido sintetizados y probados utilizando FPGAs, por lo que puede considerarse "investigación aplicada".
- English
Spectroscopy applied to Nuclear Electronics aims to characterize the energetic particles arriving at a given radiation detector. This characterization is carried out by signal processing within detection chains. The precision to properly characterize the particles is called resolution. The analysis of the resolution in analog spectroscopy systems have been deeply studied in the last four decades. Thus, the resolution is inversely proportional to the noise generated in both, the detectors and associated electronics. This noise may have a different frequency spectrum depending on the components of the detector or the type of chain used. Thanks the development of integrated circuits, digital electronics has been used in particle detection chains, displacing the use of its analog equivalent, with corresponding benefits associated —multistage integration in a single integrated circuit, lower volume and power consumption, reconfigurability, etc.— However, this change of technology, from analog to digital, increases the detection chain complexity and the number of noise sources. This is due to in the basic scheme of a detection chain, two new elements are added: an Analog-to-Digital Converter (ADC) and a digital shaper, both located before the pulse shape analysis stage.This research examines how the digital implementation parameters influence the total resolution spectroscopy, such as the the shaper order, the sampling frequency, quantization noise or shaping type. Besides, different algorithms has been developed in this research to determine the optimal sampling frequency and shaping, for a given energetic particle detection in order to perform a more effective detection. To accelerate the implementation of these algorithms, they have been implemented in hardware using reconfigurable FPGA devices (Field Programmable Gate Array). Other earlier research works can be classified as “basic research” because they were aimed at acquiring new knowledge without including experimental work. However, in this research the different proposed algorithms have been synthesized and tested using FPGAs and therefore it can be considered “applied research”.
