Laboratoire de Physique Corpusculaire - Caen. Modules de mesure. FASTER Les modules de mesure développés. 24 Novembre 2011.

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1 Laboratoire de Physique Corpusculaire - Caen Modules de mesure FASTER Les modules de mesure développés 24 Novembre

2 1. Définition d un module de de mesure 2. Les cartes filles développées. 3. Les modules numériques développés. 4. Conclusion et perspectives 2

3 1. Définition d un module de mesure D #1 D #2 D #3 + PAC D #4 + PAC D #5 D #6 R F D #7 D #8 D #9 + PAC D #10 + PAC Tél. TOF Tél. 3 QDC-TDC HR ADC-TDC Synchro RF D RF = Détecteur = RF cyclotron PAC = Préamplificateur de charge Tél. = Télescope TOF = Temps de vol

4 Modules de mesure 1. Définition d un module de mesure 1 Voie de mesure = Conversion Analogique Numérique 1 Voie sur la carte fille + 1 Module numérique sur la carte mère QDC-TDCHR, ADC-TDC, Synchro RF 4

5 1. Définition d un module de mesure 2. Les cartes filles développées 3. Les modules numériques front-end FASTER. 4. Conclusion et perspectives 5

6 2. Les cartes filles développées Actuellement, il existe 2 cartes filles de conversion analogique digital: CARAS : carte fille rapide, adaptée aux fonctions QDC, TDC, synchro RF, ADC MOSAHR : carte fille grande dynamique, adaptée à la spectroscopie haute résolution (ADC) 6

7 Modules de mesure 2. La carte fille CARAS Spécifications techniques: Format VITA57 2 voies = 2 FADC 500MHz,12 BIT ±1.15V de gamme dynamique sur 50Ω ou 10kΩ (sélection par switch) Offset d entrée réglable par soft entre -1.1V et 1.1V Bruit: 1.1lsbrms 600µVrms Bande passante : 100MHz 7

8 Modules de mesure 2. La carte fille MOSAHR Spécifications techniques: Format VITA57 4 voies = 4 FADC 125MHz,14 BIT ±1V, ±2V, ±5V, ±10V de gamme dynamique sur 1kΩ (sélection par switch) Bruit: 1lsbrms 130µVrms (±1V) Bande passante : 25MHz Isolement diaphonique >97dB 8

9 1. Définition d un module de mesure 2. Les cartes filles développées. 3. Les modules numériques développés. 4. Conclusion et perspectives 9

10 3. Les modules numériques développés Actuellement, il existe 3 fonctions développées QDC-TDC HR ADC-TDC Synchro RF 10

11 Modules de mesure 3. Les modules numériques développés Chaque module est programmé en VHDL sur les FPGA de la carte mère 11

12 3. Les modules numériques développés Composition d un module Signal numérisé Paramètres choisis par l utilisateur Mise en forme Trigger Fournit la date du déclenchement Compteur d évènements DSP = Fonction (QDC,ADC ) 12 Trames OSC, STAT, DSP datées envoyées

13 3. Le module numérique QDC-TDC HR Objectif : Gate Détecter l instant de déclenchement 13 porte Calculer signal «Nettoyer» le signal

14 3. Le module numérique QDC-TDC HR Signal numérisé toutes les 2ns Module QDC-TDC Mise en forme Trigger TDC Compteur d évènements Fonction QDC 14 Trames OSC, STAT, DSP datées envoyées

15 3. Le module numérique Fonction QDC-TDC QDC HR Signal numérisé porte toutes les 2ns Module QDC-TDC Calcule jusqu à 4 charges : α signal Gate1 Mise en forme Gate3 & 4 Gate2 100ns Trigger TDC Compteur d évènements Fonction QDC 15 Trames OSC, STAT, DSP datées envoyées

16 3. Le module numérique QDC-TDC Trigger HR Discriminateur à seuil : détecte Signal le numérisé passage toutes du seuil les à 2ns Module QDC-TDC près Discriminateur à fraction constante : détecte le début de l évènement à 7,8ps près (interpolation Mise en forme polynomiale d ordre 2) mode TDC Trigger TDC Compteur Fonction QDC d évènements Résolution temporelle TDC 16 Trames OSC, STAT, DSP datées envoyées

17 3. Le module numérique Mise QDC-TDC en forme HR Inverser éventuellement. Signal numérisé toutes les 2ns Module QDC-TDC Mettre la ligne de Base à 0 mv (BLR) : par soustraction Mise d un en offset forme constant. par soustraction d un «offset» variable. Trigger TDC Filtrer éventuellement. Compteur d évènements Fonction QDC tm= 27ns 57ns 13ns 17 Trames OSC, STAT, DSP datées envoyées

18 3. Le module numérique QDC-TDC HR Fonction Mise en forme : intérêt du BLR offset variable Exemple : Erreur sur la mesure de la charge à l entrée d un PM G=10 6 Gate=200ns Hypothèses : 1mV pk-pk & Charge ramenée à l entrée du PM 41pC 256 Photoélectrons (PE) Erreur sur la mesure ramenée à l entrée du PM BLR offset constant : 4pC pk-pk 25 PE BLR offset variable : 300fC rms 1,9 PE 18

19 3. Le module numérique QDC-TDC HR Fonction Mise en forme : intérêt du BLR offset variable 19 BLR dynamique

20 3. Le module numérique QDC-TDC HR Fonction Mise en forme : intérêt du BLR offset variable Exemple : Erreur sur la mesure de temps A noter : l utilisation du BLR par soustraction d offset variable permet de s affranchir du réglage du WALK. 20

21 3. Le module numérique ADC-TDC Objectif : Mettre en forme pour maximiser S/ B Détecter l instant de déclenchement 21 Relever le maximum

22 3. Le module numérique ADC-TDC Module ADC Signal numérisé toutes les 8ns Mise en forme Trigger Compteur d évènements Fonction recherche de maximum 22 Trames OSC, STAT, DSP datées envoyées

23 3. Le module Fonction numérique recherche ADC-TDC de maximum Signal numérisé toutes les 8ns Module ADC Mise en forme Gate Trigger La valeur du maximum dans la fenêtre de temps donnée par l utilisateur est relevée (avec détection de saturation de signal d entrée Fonction Compteur et d empilement). Fonction recherche recherche de d évènements de maximum maximum 80ns 23 Trames OSC, STAT, DSP datées envoyées

24 3. Le module numérique Mise ADC-TDC en forme Signal numérisé toutes les 8ns Module ADC = ampli de spectroscopie Mise en forme Trigger OUT : Filtre CR-RC 4 (60ns à 32µs), CPZ, BLR, Bipolar output FASTOUT: CR-RC Compteur 4 (24ns-60ns): Fonction peut servir recherche pour la mesure d évènements de maximum de temps (à 8ns près) 24 Trames OSC, STAT, DSP datées envoyées

25 3. Le module numérique ADC-TDC 60 Co Spectroscopie avec MOSAHR_100 HPGe Ortec 25

26 3. Le module numérique Synchro RF Objectif : Mesurer le temps de vol en prenant comme référence l arrivée du faisceau sur la cible. Cyclotron cste cible neutron scint. + PM Module RF : à période T RF à instant de trig t RF TOF = t détecteur - t RF - cste Module TDC: à instant de trig t détecteur Informations envoyées 26 TOF= t détecteur - n x Période RF + t RF0 - cste

27 3. Le module numérique Synchro RF Module Synchro RF Signal numérisé toutes les 2ns Mise en forme=filtre Mise en forme passe-haut 2 nd ordre Trigger à seuil : à 7,8ps Trigger près (interpolation linéaire) Compteur d évènements Calcul de la période + instant de trig précis 27 Trames OSC, STAT, DSP datées envoyées

28 3. Le module numérique Synchro RF Calcul de la période + instant de trig précis T Module trig 7,8ps Synchro RF Signal numérisé toutes les 2ns Période 1.9fs Fréquences d entrée : F in = 1MHz 100MHz Bande Passante : Mise en forme=filtre passe-haut 2 nd ordre T trig 7,8ps propre Trigger à seuil : à 7,8ps près (interpolation γ linéaire) 10ppm F in ou 150ppm F in Résolution obtenue Compteur : d évènements 1fs ou 15fs. neutrons Calcul de la période + instant de trig précis 28 Trames OSC, STAT, DSP datées envoyées Temps de vol TDC - RF

29 1. Définition d un module de mesure 2. Les cartes filles développées. 3. Les modules numériques développés. 4. Conclusion et perspectives 29

30 4. Conclusion Quasi-intégralité des fonctions «élémentaires» en traitement du signal pour l instrumentation nucléaire a été développée : Fonctions conformes à l état de l art en terme de performances A noter : Une seule voie de mesure distribue presque tous les modules NIM standards (Discri : LE,CFD; Timing filter; Gate and delay generator; Spectroscopy amplifier; QDC; TDC) interconnectables à volonté. Grande adaptabilité aux expériences de physique nucléaire. 30

31 4. Conclusion et perspectives L utilisation du numérique permet une grande souplesse dans le traitement des données, ce qui va permettre d envisager par exemple : des améliorations sur les gestions d empilements des minimisations de temps morts 31