Logo PTB

Datenerfassungselektronik für ein ToT-Spektrometer mit mehreren Kanälen zur Messung von gepulster Strahlung

19.12.2016

Abbildung 1: Gemessenes Spektrum von Ba-133

Zur Spektroskopie von gepulster Röntgenstrahlung ist aufgrund der kurzen Strahlungsdauer und der hohen Dosisleistung eine schnelle Elektronik notwendig. Zur Messung des Spektrums eignet sich daher die Time-over-Threshold-Methode (ToT). Bei Time-over-Threshold wird die Zeit gemessen, während der sich das Detektorsignal über einem eingestellten Schwellwert befindet. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist der geringe Schaltungsaufwand, was besonders bei der Realisierung mehrerer Mess-Kanäle von Vorteil ist. Jedoch muss bei der ToT-Messung mit einer Nichtlinearität zwischen der Photonenenergie und der Pulsbreite gerechnet werden.

Vor diesem Hintergrund wurde ein kompaktes Messgerät auf der Basis eines Zynq-7020-Chips entwickelt. Die Chips der Zynq-7000-Serie vereinen einen Field Programmable Gate Array (FPGA) mit einem Prozessor, sodass für die schnelle Messaufgabe eine Hardware und für die Kommunikation mit einem PC eine Software implementiert werden kann.

Das Gerät besteht aus einer Messlogik, welche die digitalen Signale von 16 Eingängen parallel verarbeitet. Um die Breite der analogen Detektorsignale bestimmen zu können, müssen diese in ein digitales Signal gleicher Breite umgeformt werden. Im FPGA-Teil des Chips ist eine Logik implementiert, welche die Zeitdauer der digitalen Eingangssignale mit einer Auflösung von 0,625 ns misst. Dieser Messwert wird durch die Folgelogik in ein Histogramm je Eingang eingeordnet.

Im Prozessor des Chips läuft eine Server-Software, welche die Histogramme aller Eingänge auslesen und die Daten über eine Ethernet-Schnittstelle weitergeben kann. Außerdem wird die Messung durch das Programm gestartet, gestoppt und zurückgesetzt. Zusätzlich wurde eine Software für einen PC entwickelt, welche zur Steuerung der Messung und zur Anzeige der Histogramme genutzt wird.

Mit einem provisorischen Frontend, bestehend aus einem Detektor, zugehörigem Verstärker und einem Komparator, wurden erste Testmessungen durchgeführt. Abbildung 1 zeigt ein gemessenes Spektrum einer Ba-133-Quelle.

Ansprechpartner
Opens window for sending emailP. Mathias, Fachbereich  6.3, Arbeitsgruppe 6.35,
Opens window for sending emailB. Reinelt, Fachbereich  6.3, Arbeitsgruppe 6.35