Processamento digital de impulsos aplicado à espectroscopia de radiação atómica e nuclear

Abstract

O presente trabalho centra-se no processamento digital de impulsos aplicado à espectroscopia de radiação atómica e nuclear, focando aspectos como as arquitecturas e os algoritmos digitais mais eficazes, os espectrómetros digitais desenvolvidos e actualmente disponíveis bem como os seus métodos de teste, de per si e comparativamente aos sistemas analógicos tradicionais, e ainda os resultados da aplicação destas metodologias de espectroscopia digital a uma experiência de física de médias energias. As vantagens do processamento digital de impulsos face à abordagem tradicional de enformação e amplificação analógica do sinal são apresentadas e discutidas, sendo dado relevo às soluções adoptadas na arquitectura dos sistemas de espectrometria digital da radiação. São, nomeadamente, apresentados com detalhe os principais algoritmos usados para a determinação do instante de ocorrência, amplitude e tempo de subida, e são discutidas as respectivas consequências para o desempenho em termos de resolução espectral. É demonstrado que este desempenho depende exclusivamente das condições de cada experiência e das características das componentes associadas ao bloco de aquisição (detector + pré-amplificador) e do bloco de acondicionamento do sinal detectado. Neste âmbito, é revisto o estudo das fontes de ruído presentes nestes blocos e o modo como estas afectam o sinal, apresentando-se a metodologia de determinação do filtro digital óptimo do ponto de vista da relação sinal-ruído. Para além da determinação dos filtros digitais óptimos, estudos com base em simulação computacional foram efectuados com a finalidade de obter conclusões acerca do dimensionamento de um sistema de processamento digital de impulsos baseado em multi-processamento, bem como de efectuar a sua caracterização em termos de taxa de contagem e de tempo morto. Com o propósito de aumentar a taxa de contagem de um sistema de processamento digital de impulsos é apresentado um sistema original baseado numa arquitectura híbrida (com processador de sinal - DSP (Digital Signal Processor) - e um dispositivo lógico programável de elevada densidade - FPGA (Field Programmable Gate Array)) baseado em hardware reconfigurável com o qual é possível beneficiar da alta velocidade de processamento conferido pelo hardware sem perder os benefícios inerentes à flexibilidade de reconfiguração características do software. É ainda proposta uma plataforma de teste e caracterização de algoritmos de processamento digital de impulsos. São apresentados resultados da utilização desta plataforma os quais evidenciam a sua utilidade na determinação dos parâmetros ideais de configuração de um espectrómetro digital em face da sua aplicação ou dos objectivos em vista. Finalmente, um caso concreto para uma aplicação de processamento digital de impulsos em experiências de física fundamental de médias energias é apresentado tendo como base uma experiência que resulta de uma colaboração internacional de várias instituições e tem por objectivo a determinação do desvio de Lamb no hidrogénio muónico com vista ao cálculo, com um maior grau de precisão, das dimensões do seu núcleo atómico i.e do protão.

The present document is focused on digital pulse processing techniques applied to atomic and nuclear radiation spectroscopy. Special relevance is given to the issues related with the architecture and algorithm efficiency, as well as to the actual digital spectrometers currently available, along with its test procedures in comparison with the traditional analog systems, and finally the results of these techniques when applied to a medium energy physics experiment. The advantages and benefits of digital pulse processing over the traditional analog amplification and formatting are presented and discussed. Special attention is given to the architectural solutions usually adopted for digital radiation spectrometers. Special emphasis and detail is given to the digital implementation of the algorithms used in the pulse parameter estimation to determine the pulse timing, the amplitude and the rise-time. The most important algorithms used with this purpose are presented and the consequent spectral performance is extensively discussed. This performance depends almost exclusively on the operating conditions of each experiment along with the physical characteristics of the components of the acquisition module (detector and pre-amplifier) and of the signal conditioning module. In this scope, a short review is made on the noise sources present in each of these blocks and how they affect the detected signal. The final purpose is to determine the optimal digital filter from the signal-to-noise point of view. Along with the developed digital processing algorithms, a set of computational simulation studies is presented in order to determine the best dimensioning of a scalable architecture based on a multiprocessing platform, as well as to characterize its performance in terms of throughput and dead time losses. In order to improve the count rate without software processing overload a different hybrid architecture is presented and discussed including both a digital signal processor (DSP - Digital Signal Processor) and a programmable logical device (FPGA - Field Programmable Gate Array) based on reconfigurable hardware platform. The implementation of an online configurable digital filter for the pulse amplitude parameter estimation in this system is also discussed. With this system it is possible to benefit from the high processing power of the hardware modules without loosing the flexibility and versatility of software processing. A test platform for the digital pulse processing algorithm characterization is presented and discussed. This system allows for the acquisition, validation and storage of data referred to each single event by two concurrent processing methods (analog and digital) in parallel. Following the results obtained with this platform, special evidence is given to the ideal parameter estimation ability granted by the digital spectrometer solution used for a specific application. Finally, a specific case for the application of these techniques is presented, namely in the experimental fundamental physics field. This experiment is being carried out by a consortium of several academic institutions in order to determine the Lamb shift in muonic hydrogen. The ultimate goal of the experiment is to determine the proton charge radius with unprecedented accuracy.