1. ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΜΟΝΑ∆ΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΣΗΜΑΤΩΝ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΜΙΑΣ
∆ΙΟ∆ΟΥ LASER ΣΤΟ ΥΠΕΡΥΘΡΟ ΚΑΙ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗ ΟΠΤΙΚΟΥ
ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗΣ ΑΝΙΧΝΕΥΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ
ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ∆ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ
Φωκίων Παπαστεφάνου
∆ιπλ. Ηλεκτρολόγος Μηχανικός
Επίβλεψη: Επίκουρος Καθηγητής Ιωάννης Ευαγγέλου
Εργαστήριο Φυσικής Υψηλών Ενεργειών
ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥ∆ΩΝ
ΣΤΙΣ ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ
ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ
ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ
Ιωάννινα, Μάιος 2002
2. Αφιερώνω,
την παρούσα εργασία στους γονείς µου
∆ηµήτρη και Άννα και φυσικά στη
γυναίκα µου Καίτη που µε άντεξε !!!
Τα πράγµατα για τα οποία πληρώνουµε περισσότερο είναι
εκείνα τα οποία έχουµε αποκτήσει χωρίς κανένα αντάλλαγµα…
Βάλε το χέρι σου επί ένα λεπτό µέσα σε µια κατσαρόλα µε καυτό
νερό - θα σου φανεί µια ώρα. Κάθισε δίπλα σε µια γοητευτική
γυναίκα επί µια ώρα –θα σου φανεί ένα λεπτό.
Αυτό θα πει σχετικότητα…
Α. Αϊνστάιν
3. Ευχαριστίες
Στο σηµείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω τους ανθρώπους, η συµβολή
των οποίων στην πραγµατοποίηση αυτής της εργασίας υπήρξε σηµαντική.
Τον επιβλέποντα της µεταπτυχιακής µου εργασίας Επίκουρο Καθηγητή
Ι. Ευαγγέλου και τον Επίκουρο Καθηγητή Ν. Μάνθο για την καθοδήγησή
τους στο να ολοκληρώσω τη διπλωµατική µου εργασία.
Τον Καθηγητή Κο. Φ.Α.Τριάντη διευθυντή του ΕΦΥΕ, τον Καθηγητή Κο.
Π. Κωσταράκη, τον Επίκουρο Καθηγητή Π. Κόκκα, τον Επίκουρο
Καθηγητή Μ. Καµαράτο και τους συναδέρφους µου Α. Ασηµίδη και Κ.
Προύσκα για τη βοήθεια και τη συνεργασία τους.
Παράλληλα, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους συναδέρφους µου στην
Τεχνική Υπηρεσία του Πανεπιστηµίου Ιωαννίνων και ιδιαίτερα τη
διευθύντριά µου κα Α. Χρηστίδη για τη συµπαράστασή τους.
- iii -
4. Περίληψη
Το αντικείµενο της παρούσας µεταπτυχιακής εργασίας είναι η ανάπτυξη
µιας µονάδας παραγωγής σηµάτων ρύθµισης για την παλµική οδήγηση
διόδου Laser στο υπέρυθρο και η ολοκλήρωση του οπτικού συστήµατος
βαθµονόµησης ανιχνευτικών µικροµονάδων πυριτίου. Συγκεκριµένα,
περιλαµβάνει τη κατασκευή µιας µονάδας που παράγει παλµούς
προγραµµατιζόµενου πλάτους και χρονικής διάρκειας, οι οποίοι
χρησιµοποιούνται ως είσοδος στη µονάδα οδηγού Laser. Ακόµα
περιλαµβάνει τη σχεδίαση και κατασκευή ενός µηχανικού συστήµατος
κατεύθυνσης της δέσµης του Laser και ευθυγράµµισης µε τα ανοίγµατα
στο Αλουµίνιο των µικρολωρίδων των ανιχνευτών πυριτίου. Το σύστηµα
ολοκληρώνεται µε τη ανάπτυξη κώδικα στο πακέτο LabView για τη
συνεργασία όλων των µονάδων του συστήµατος. Με τη βοήθεια αυτού του
κώδικα γίνεται αυτόµατη σάρωση των 32 ανοιγµάτων στο Αλουµίνιο των
µικρολωρίδων του ανιχνευτή µε εκποµπή συγκεκριµένου αριθµού παλµών
Laser σε κάθε άνοιγµα και αποθήκευση των µετρήσεων στο PC.
- iv -
5. Abstract
The subject of the present MSc thesis is the development of a unit that
produce calibration pulse signals which are used to regulate an IR laser
driver and the completion of the optical system to calibrate silicon
detectors. Concretely, it includes the manufacture of a unit that produces
pulses of programmed width and time duration that are used as input pulse
entry in the unit of laser driver. Still it includes the design and the
manufacture of a mechanical system that directs the beam of laser and
aligns with the strip Al openings of silicon micro strip sensor. The system is
completed with the development of software for all system’s units. The
software includes automatic scanning of 32 strip Al openings of sensor
with emission certain number of pulses in each opening and simultaneous
storage of measurements in a computer (PC).
- v -
6. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ
Ευχαριστίες................................................................................................................ iii
Περίληψη................................................................................................................... iv
Abstract........................................................................................................................v
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ........................................................................................................6
ΕΙΣΑΓΩΓΗ .................................................................................................................8
1. ΑΝΙΧΝΕΥΤΕΣ PRESHOWER ΤΟΥ CMS. ............................................13
1.1 Εισαγωγή ..................................................................................................... 13
1.2 Ο επιταχυντής συγχρονισµένων δεσµών p-p LHC...................................... 13
1.3 Το πείραµα CMS ......................................................................................... 14
1.4 Οι ανιχνευτικές διατάξεις Preshower .......................................................... 15
2. ΑΝΙΧΝΕΥΤΕΣ ΠΥΡΙΤΙΟΥ. ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ ΤΩΝ
ΜΙΚΡΟΜΟΝΑ∆ΩΝ ΜΕ ΠΑΛΜΙΚΟ LASER........................................19
2.1 Βασικές αρχές των µικρολωριδιακών ανιχνευτών πυριτίου. ...................... 19
2.2 Βαθµονόµηση των µικροµονάδων µε παλµικό Laser.................................. 21
2.3 Γενικές αρχές των Lasers............................................................................. 23
2.4 Laser διόδου (Diode Lasers)........................................................................ 24
2.5 Έλεγχος απόκρισης του Laser της πειραµατικής διάταξης. ........................ 26
2.6 Η πειραµατική διάταξη βαθµονόµησης των ανιχνευτών. ........................... 29
3. ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΜΟΝΑ∆ΑΣ
ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΖΟΜΕΝΟΥ ΕΞΑΣΘΕΝΗΤΗ ΠΑΛΜΩΝ.................32
3.1 Το πρότυπο LVDS, γενικές αρχές............................................................... 32
3.2 Μετατροπή LVDS σε TTL.......................................................................... 32
3.3 Η µονάδα του Προγραµµατιζόµενου Εξασθενητή Παλµών (ΠΕΠ)............ 34
3.4 Ανάπτυξη λογισµικού για τον έλεγχο της µονάδος..................................... 41
3.5 Έλεγχος λειτουργίας της µονάδας............................................................... 43
4. ΜΟΝΑ∆Α ΕΛΕΓΚΤΗ Ι2C ΚΑΙ ΤΡΟΦΟ∆ΟΤΙΚΟΥ 0/+5V..................48
5. ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΣΤΗΡΙΞΗΣ ΤΟΥ LASER ΚΑΙ
ΤΩΝ ΑΝΙΧΝΕΥΤΙΚΩΝ ΜΙΚΡΟΜΟΝΑ∆ΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ...................51
6. ΜΟΝΑ∆Α FE READOUT .........................................................................54
6.1 Εισαγωγή ..................................................................................................... 54
6.2 Η µονάδα V729A της CAEN και η λειτουργία της..................................... 54
6.3 Προσπέλαση της µονάδας FE Readout από το λογισµικό πακέτο
LabView. ..................................................................................................... 58
6.4 Χρήση και ανάπτυξη προγράµµατος Vi...................................................... 60
Σελίδα 6 από 100
7. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ
7. ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗΣ
ΜΕ ΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ ΣΕ LABVIEW .......................64
7.1 Εισαγωγή ..................................................................................................... 64
7.2 Γέφυρα PCI-MXI2-VME. ........................................................................... 65
7.3 Η γλώσσα VISA .......................................................................................... 66
7.4 ∆οµή και λειτουργία του γενικού προγράµµατος βαθµονόµησης............... 67
8. ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗΣ.
ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ. .............................................74
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ......................................................................................................81
ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α. Σειριακοί δίαυλοι RS-232C και Ι2
C........................................83
Α.1 RS-232C ...................................................................................................... 83
Α.2 Ι2
C................................................................................................................ 86
ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β. Ο δίαυλος VMEbus...................................................................91
Β.1 Εισαγωγή ..................................................................................................... 91
Β.2 Εισαγωγή στην προδιαγραφή του VMEbus ................................................ 91
Β.3 Σκοπός της προδιαγραφής του VMEbus ..................................................... 92
Β.4 Βασικοί ορισµοί µηχανικής δοµής του VME.............................................. 92
ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ. Το πρότυπο NIM (Nuclear Instrumentation
Methods)......................................................................................................95
ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ∆. Σχηµατικά πλακετών (PCB) ................................................97
∆.1 Προγραµµατιζόµενος Εξασθενητής Παλµών.............................................. 97
∆.2 Μονάδα ελεγκτή Ι2C και τροφοδοτικού 0/+5V. ......................................... 99
Σελίδα 7 από 100
8. ΕΙΣΑΓΩΓΗ
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Στο εργαστήριο Φυσικής Υψηλών Ενεργειών του Τµήµατος Φυσικής του
Πανεπιστηµίου Ιωαννίνων αναπτύσσεται ένα σύστηµα ελέγχου
ανιχνευτικών µικροµονάδων πυριτίου. Σαν στόχο έχει τον έλεγχο και την
καταγραφή της πληροφορίας που παράγεται στους ανιχνευτές κατά τη
διέλευση φορτισµένων σωµατίων ή φωτονίων [1], [2]. Το σύστηµα
βασίζεται στο πρότυπο VME [3],[4] και ελέγχεται από έναν προσωπικό
ηλεκτρονικό υπολογιστή (PC).
Το σύστηµα περιλαµβάνει:
• ∆ύο µονάδες (FE Control, Sequencer) σε πρότυπο VME. Η
µονάδα FE Control παράγει τα κατάλληλα σήµατα βαθµονόµησης
που χρησιµοποιούνται για τον έλεγχο της καλής λειτουργίας των
διαφόρων τµηµάτων του FE Chip. Η µονάδα Sequencer
αναλαµβάνει την παραγωγή προγραµµατιζόµενων διαδοχικών
παλµών σκανδαλισµού που χρησιµοποιούνται για την παραγωγή
σηµάτων βαθµονόµησης. Οι δύο παραπάνω µονάδες συνεργάζονται
µεταξύ τους και παρέχουν τα αναγκαία σήµατα χρονισµού και
βαθµονόµησης για το FE chip. Το FE chip είναι το ολοκληρωµένο FE
που χρησιµοποιείται για την προενίσχυση των σηµάτων που
προέρχονται από έναν µικρολωριδιακό ανιχνευτή πυριτίου. Ο FE
Control και ο Sequencer συνδέονται στο δίαυλο VME και
χρησιµοποιούν 24 γραµµές διευθυνσιοδότησης (Α24) καθώς και 16
γραµµές για τη µεταφορά δεδοµένων (D16).
• Μία τυποποιηµένη µονάδα της κατασκευάστριας εταιρείας CAEN
σε πρότυπο VME (FE Readout), η οποία διαβάζει τα αναλογικά
σήµατα από το FE chip, τα ψηφιοποιεί και τα παρέχει στον
προσωπικό ηλεκτρονικό υπολογιστή για αποθήκευση και ανάλυση.
Η µονάδα FE Readout συνδέεται στο δίαυλο VME και χρησιµοποιεί
24 γραµµές διευθυνσιοδότησης (Α24) και 32 γραµµές για τη
µεταφορά δεδοµένων (D32).
Σελίδα 8 από 100
9. ΕΙΣΑΓΩΓΗ
• Μία µονάδα υλοποίησης του πρωτοκόλλου επικοινωνίας Ι2C
(ελεγκτής Ι2C), µέσω της οποίας παρέχονται οι εντολές ελέγχου στο
FE chip και στον Προγραµµατιζόµενο Εξασθενητή Παλµών (RS232 -
I2C interface), παρέχοντάς του και την τροφοδοσία για τα ψηφιακά
του κυκλώµατα.
• Τη µονάδα του Προγραµµατιζόµενου Εξασθενητή Παλµών (ΠΕΠ)
που παράγει παλµούς προγραµµατιζόµενου πλάτους και διάρκειας
κατάλληλους για την οδήγηση του παλµικού Laser (Laser Diode
driver).
• Ο γενικός έλεγχος του συστήµατος γίνεται µε το πακέτο LabView,
που είναι εγκαταστηµένο σε PC. Η επικοινωνία του PC µε το
σύστηµα ελέγχου γίνεται µε τη µονάδας διεπαφής VME-ΜΧΙ-2
interface, µέσω κατάλληλης κάρτας PCI εγκαταστηµένης στο PC και
µέσω της σειριακής θύρας RS-232.
ΣΧΗΜΑ 1: Το εργαστηριακό σύστηµα βαθµονόµησης µικροµονάδας
µικρολωριδιακών ανιχνευτών πυριτίου.
Σελίδα 9 από 100
10. ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Η βαθµονόµηση της µικροµονάδας µικρολωριδιακών ανιχνευτών
πυριτίου γίνεται µε τη πρόσπτωση παλµών Laser στις µικρολωρίδες
πυριτίου. Η εκποµπή των παλµών Laser γίνεται από µια υπέρυθρη δίοδο
Laser οδηγούµενη από τη µονάδα του Προγραµµατιζόµενου Εξασθενητή
Παλµών, κάνοντας χρήση οπτικής ίνας και οπτικού φακού εστίασης.
Το υποσύστηµα αισθητήρα πυριτίου – αναλογικών ηλεκτρονικών
τοποθετείται σε µια κινητή τράπεζα µιας διάστασης, οδηγούµενης µέσου
προγράµµατος σε LabView. Η παραπάνω διάταξη ενσωµατώνεται σε ένα
χειροκίνητο σύστηµα ρυθµιζόµενης µετατόπισης και εστίασης δύο
διευθύνσεων στο οποίο τοποθετείται και το σύστηµα οπτικής ίνας – φακού
εστίασης.
Στο Σχήµα 1 απεικονίζεται το πλήρης σύστηµα ελέγχου µε τις µονάδες
που αναφέρθηκαν προηγουµένως.
Στα πλαίσια ανάπτυξης του παραπάνω εργαστηριακού συστήµατος
ελέγχου, η παρούσα µεταπτυχιακή εργασία βασίζεται: α) στην ανάπτυξη
και κατασκευή της µονάδας παραγωγής σηµάτων ρύθµισης µιας διόδου
Laser στο υπέρυθρο (Μονάδα Προγραµµατιζόµενου Εξασθενητή
Παλµών), β) στην κατασκευή µονάδας υλοποίησης του πρωτοκόλλου I2C
(ελεγκτής Ι2C), γ) στην κατασκευή µηχανικής στήριξης των οπτικών
διατάξεων του Laser και της µικροµονάδας µικρολωριδιακών ανιχνευτών
πυριτίου δ) στον προγραµµατισµό της µονάδας FE Readout και ε) στην
ολοκλήρωση των προγραµµάτων οδήγησης των ηλεκτρονικών µονάδων
του συνολικού συστήµατος και στην αυτοµατοποίηση της διαδικασίας
βαθµονόµησης. Ο χρήστης ανοίγοντας ένα panel στο LabView µπορεί µε
εύκολο τρόπο να ελέγχει όλες τις µονάδες του συστήµατος σε µια µόνο
οθόνη. Η βαθµονόµηση γίνεται µε τη σάρωση κάθε παραθύρου των 32
λουρίδων του ανιχνευτή πυριτίου και ρίψη συγκεκριµένου αριθµού παλµών
φωτός Laser. Οι µετρήσεις αποθηκεύονται προσωρινά στη µονάδα FE
Readout, µε επιλεκτική εµφάνιση στην οθόνη. Ακόµα οι µετρήσεις
εµφανίζονται στην οθόνη µε µορφή γραφήµατος και δίνεται η δυνατότητα
περαιτέρω ανάλυσης των δεδοµένων. Η όλη διαδικασία σάρωσης,
ανάγνωσης και αποθήκευσης γίνεται µε το πάτηµα ενός κουµπιού, αφού ο
Σελίδα 10 από 100
11. ΕΙΣΑΓΩΓΗ
χρήστης αρχικοποιήσει σωστά κάθε µονάδα και επιλέξει τον ακριβή αριθµό
παλµών για κάθε λουρίδα.
Η συγκεκριµένη µεταπτυχιακή εργασία περιέχει 8 κεφάλαια και 4
παραρτήµατα, τα οποία αναλυτικότερα είναι τα εξής:
Στο Κεφάλαιο 1 περιγράφεται ο ανιχνευτής Preshower, ο οποίος
αποτελεί τµήµα του πειράµατος CMS.
Στο Κεφάλαιο 2 δίνονται οι βασικές αρχές λειτουργίας των
µικρολωριδιακών ανιχνευτών πυριτίου, των Laser και της διαδικασίας
βαθµονόµησης των ανιχνευτικών µικροµονάδων πυριτίου µε ρίψη παλµών
φωτός Laser στην περιοχή του υπέρυθρου φωτός.
Στο Κεφάλαιο 3 περιγράφεται η ανάπτυξη και η κατασκευή της µονάδας
του προγραµµατιζόµενου εξασθενητή παλµών, µαζί µε το λογισµικό που
απαιτείται για τον έλεγχό της. Γίνεται επίσης, αναφορά στις δοκιµές που
πραγµατοποιήθηκαν για τον έλεγχο καλής λειτουργίας της µονάδος.
Παράλληλα, δίνονται βασικές αρχές του πρωτοκόλλου LVDS και του
µετασχηµατισµού σηµάτων από LVDS σε TTL.
Στο Κεφάλαιο 4 περιγράφεται η κατασκευή της µονάδας του ελεγκτή Ι2C.
Στο Κεφάλαιο 5 δίνονται τα χαρακτηριστικά και οι διαστάσεις της
µηχανικής κατασκευής στήριξης των οπτικών διατάξεων του Laser και της
µικροµονάδας µικρολωριδιακών ανιχνευτών πυριτίου της πειραµατικής
διάταξης.
Στο Κεφάλαιο 6 περιγράφεται η µονάδα FE Readout, ο τρόπος
αναγνώρισης και προγραµµατισµού της από το χρήστη του συστήµατος
και το λογισµικό που αναπτύχθηκε για τον έλεγχο και την ανάγνωση των
σηµάτων που προέρχονται από τους µικρολωριδιακούς ανιχνευτές.
Στο Κεφάλαιο 7 αναφέρεται ο τρόπος διασύνδεσης των µονάδων που
περιλαµβάνονται στο δίαυλο VME µε τον υπολογιστή και περιγράφεται το
πρόγραµµα αυτοµατοποίησης της πειραµατικής διαδικασίας
βαθµονόµησης των ανιχνευτών πυριτίου, το οποίο έχει αναπτυχθεί στο
λογισµικό πακέτο LabView.
Στο Κεφάλαιο 8 περιγράφεται η γενική λειτουργία του συστήµατος
βαθµονόµησης και οι έλεγχοί του, ώστε να δοκιµαστεί η αξιοπιστία και η
αυτοµατοποίησή του, χρησιµοποιώντας παράλληλα φωτοευαίσθητο υλικό
Σελίδα 11 από 100
12. ΕΙΣΑΓΩΓΗ
και δείγµα προσοµοίωσης των ανιχνευτών για να επαληθευτεί η λειτουργία
του Laser στο ορατό φως.
Στο Παράρτηµα Α περιγράφεται η σειριακή επικοινωνία των
πρωτοκόλλων επικοινωνίας RS-232C και Ι2C.
Στο Παράρτηµα B περιγράφεται σε γενικές γραµµές ο δίαυλος VME.
Στο Παράρτηµα Γ περιγράφεται το πρότυπο NIM.
Στο Παράρτηµα ∆ δίνονται τα σχηµατικά των δύο πλακετών (PCB) που
κατασκευάστηκαν.
Τέλος, αναφέρουµε ότι το γενικό σύστηµα θα χρησιµοποιηθεί για τον
έλεγχο των ανιχνευτικών µικροµονάδων πυριτίου στον ανιχνευτή
Preshower του πειράµατος CMS που θα διεξαχθεί στις εγκαταστάσεις του
CERN, του Ευρωπαϊκού Κέντρου Πυρηνικών Ερευνών, της Ελβετίας.
Σελίδα 12 από 100
13. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. Ανιχνευτές Preshower του CMS.
1. ΑΝΙΧΝΕΥΤΕΣ PRESHOWER ΤΟΥ CMS.
1.1 Εισαγωγή
Οι ανιχνευτές Preshower αποτελούν επιµέρους τµήµατα του
πειράµατος CMS (Compact Muon Solenoid), το οποίο ετοιµάζεται και
συναρµολογείται στις εγκαταστάσεις του Ευρωπαϊκού Κέντρου Πυρηνικών
Ερευνών, δηλαδή του CERN (European Center for Nuclear Research) [5].
Το πείραµα CMS θα διεξαχθεί µε τη βοήθεια του επιταχυντή
συγχρονισµένων δεσµών p-p LHC (Large Hadron Collider) (Σχήµα 1.1), ο
οποίος αντικαθιστά τον επιταχυντή LEP (Large Electron Positron collider)
στις εγκαταστάσεις του CERN.
ΣΧΗΜΑ 1.1: Ο επιταχυντής σωµατιδίων LHC και τα πειράµατα που
περιλαµβάνει.
1.2 Ο επιταχυντής συγχρονισµένων δεσµών p-p LHC.
Ο επιταχυντής LHC είναι εγκατεστηµένος σε ένα υπόγειο κυκλικό τούνελ
στα περίχωρα της Γενεύης, σε βάθος περίπου 100m κάτω από την
Σελίδα 13 από 100
14. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. Ανιχνευτές Preshower του CMS.
επιφάνεια του εδάφους, το οποίο έχει περίµετρο 27km. Το συγκεκριµένο
τούνελ είχε φτιαχτεί αρχικά για να στεγάσει τον επιταχυντή LEP, ο οποίος
αντικαθίσταται πλέον από τον LHC. Με την ολοκλήρωση της κατασκευής
του, ο LHC θα είναι ο ισχυρότερος επιταχυντής σωµατιδίων στον κόσµο
(Σχήµα 1.2) [6].
ΣΧΗΜΑ 1.2: Σύγκριση ενέργειας και φωτεινότητας των επιταχυντών
LEP και LHC
1.3 Το πείραµα CMS
Ένα από τα πειράµατα που θα διεξαχθούν µε τη βοήθεια του επιταχυντή
είναι και το CMS (Σχήµα 1.3) [7]. Η ιδέα της κατασκευής ενός συµπαγούς
ανιχνευτή, βασισµένου σε ένα σωληνοειδές πηνίο (solenoid),
παρουσιάστηκε τον Οκτώβριο του 1990. Η υιοθέτηση σωληνοειδούς
πηνίου υπαγορεύτηκε από την απαίτηση για συµπαγή σχεδίαση του
ανιχνευτή, ώστε να επιτευχθεί ένα πολύ ισχυρό µαγνητικό πεδίο (~4
Tesla).
Ο κύριος στόχος του πειράµατος CMS είναι να διακρίνει τα ποικίλα
χαρακτηριστικά της σύγχρονης φυσικής, προσδιορίζοντας και
καταµετρώντας τα παραγόµενα από τις συγκρούσεις σωµατίδια, όπως
µιόνια, ηλεκτρόνια και φωτόνια σε ένα ευρύ φάσµα ενεργειών και σε υψηλή
φωτεινότητα. Πρόκληση επίσης αποτελεί για το συγκεκριµένο πείραµα η
πιθανή ανίχνευση των σωµατιδίων (µποζονίων) Higgs, των οποίων η
ύπαρξη προβλέπεται από τη θεωρία του Καθιερωµένου προτύπου
(Standard Model). Ο ανιχνευτής του πειράµατος CMS όταν ολοκληρωθεί
θα έχει περίπου συνολική διάµετρο 15m, συνολικό µήκος 22m και
συνολικό βάρος 12,500 τόνων. Ο ανιχνευτής θα αποτελείται από
επιµέρους τµήµατα, όπως το ηλεκτροµαγνητικό καλορίµετρο ECAL, το
αδρονικό καλορίµετρο HCAL, τον ανιχνευτή τροχιών TRACKER και τον
ανιχνευτή µιονίων MUON CHAMBERS. Για το συγκεκριµένο πείραµα
Σελίδα 14 από 100
15. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. Ανιχνευτές Preshower του CMS.
απασχολούνται περίπου 2000 επιστήµονες από 150 επιστηµονικά
ιδρύµατα σε 31 χώρες.
ΣΧΗΜΑ 1.3: Μεγέθη, εµπλεκόµενα έθνη και επιµέρους τµήµατα του
πειράµατος CMS
1.4 Οι ανιχνευτικές διατάξεις Preshower
Το πείραµα CMS περιλαµβάνει δύο όµοιους ανιχνευτές Preshower
τοποθετηµένους στις έδρες που είναι κάθετες στον άξονα της τροχιάς των
σωµατιδίων, µπροστά από τα δύο ακραία τµήµατα του ηλεκτροµαγνητικού
(Η/Μ) καλορίµετρου (endcaps) [8],[9]. Η λειτουργία του ανιχνευτή
Preshower επικεντρώνεται στην καταµέτρηση της γωνίας της διεύθυνσης
των φωτονίων, όταν παραχθούν από τις συγκρούσεις των σωµατιδίων στο
κέντρο του πειράµατος CMS, και το διαχωρισµό των µεµονωµένων
φωτονίων από τα ζεύγη φωτονίων, που προέρχονται από την διάσπαση
ενός ουδετέρου πιονίου µεγάλης ενέργειας.
Σελίδα 15 από 100
16. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. Ανιχνευτές Preshower του CMS.
ΣΧΗΜΑ 1.4: Τοµή ενός ανιχνευτή Preshower
Ένας ανιχνευτής Preshower αποτελείται, από τα εξωτερικά επίπεδα
προς τα εσωτερικά, από ένα επιβραδυντή νετρονίων πάχους 40 mm, ένα
πολύ λεπτό θερµικό φιλµ, ένα θερµοµονωτικό στρώµα αφρού πάχους 10
mm, µια µονάδα ψύξης, ένα στρώµα από Al και Pb για τη µετατροπή των
φωτονίων σε καταιγισµούς (δύο µηκών ακτινοβολίας). Στη συνέχεια, ο
ανιχνευτής Preshower περιλαµβάνει ένα επίπεδο αισθητήρων πυριτίου για
τη y συνιστώσα των ιχνών των φωτονίων, θεωρώντας ότι η z συνιστώσα
του ορθοκανονικού συστήµατος αναφοράς είναι παράλληλη προς την
τροχιά ενός φωτονίου που προσπίπτει κάθετα στο επίπεδο των
αισθητήρων. Ακολούθως, υπάρχει ακόµα ένα επίπεδο αισθητήρων
πυριτίου για την εύρεση της x συνιστώσας των ιχνών που δηµιουργούν οι
τροχιές των διερχόµενων φωτονίων. Αξίζει επίσης να σηµειωθεί ότι κάθε
αισθητήρας πυριτίου περιλαµβάνει σε υβριδικό τα αντίστοιχα αναλογικά
ηλεκτρονικά προενίσχυσης (front-end). Ανά τέσσερις αισθητήρες –
αναλογικά ηλεκτρονικά υπάρχει µια µητρική κάρτα που φιλοξενεί τα
Σελίδα 16 από 100
17. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. Ανιχνευτές Preshower του CMS.
ψηφιακά ηλεκτρονικά ελέγχου και καταγραφής των σηµάτων. Τα
επιµέρους τµήµατα που αποτελούν έναν ανιχνευτή Preshower φαίνονται
αναλυτικότερα στο Σχήµα 1.4.
ΣΧΗΜΑ 1.5: Κάλυψη ενός τεταρτηµορίου του ανιχνευτή Preshower
από αισθητήρες πυριτίου
ΣΧΗΜΑ 1.6: Συναρµολόγηση µιας αυτόνοµης µικροµονάδας και µιας
συστοιχίας µικροµονάδων
Η τοποθέτηση των αισθητήρων πυριτίου γίνεται σε συστοιχίες (ladders),
αποτελούµενες από δύο παράπλευρες σειρές αυτόνοµων µικροµονάδων
(modules). Κάθε τέτοια αυτόνοµη µικροµονάδα αποτελείται από µια
αλουµινένια κατασκευή στήριξης (holder), ένα κεραµικό επίπεδο
υποστήριξης, που περιλαµβάνει και τη γραµµή τροφοδοσίας του
αισθητήρα πυριτίου (ceramic), έναν αισθητήρα πυριτίου και ένα υβριδικό
Σελίδα 17 από 100
18. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. Ανιχνευτές Preshower του CMS.
τµήµα που περιλαµβάνει τα αναλογικά ηλεκτρονικά προενίσχυσης (front-
end). Οι µικρολωριδιακοί αισθητήρες πυριτίου που θα χρησιµοποιηθούν
είναι τετραγωνικού σχήµατος µε πλευρά µήκους 63mm, ώστε να γίνεται η
καλύτερη δυνατή εκµετάλλευση της κυκλικής επιφάνειας διαµέτρου 4
ιντσών (κατασκευαστικός περιορισµός) του κάθε δίσκου καθαρού πυριτίου
(silicon wafer). Κάθε αισθητήρας περιλαµβάνει 32 µικρολωρίδες,
διαστάσεων 1.8mm πλάτος επί 60.8mm µήκος, οι οποίες απέχουν µεταξύ
τους 1.9mm. Τόσο η σχεδίαση, όσο και η κατασκευή των αισθητήρων έγινε
κατά τέτοιο τρόπο ώστε να αντέχουν σε υψηλές τάσεις ανάστροφης
πόλωσης απογύµνωσης (~400Volt), να βελτιστοποιηθεί η ικανότητα
συλλογής φορτίων και ο λόγος σήµατος προς θόρυβο S/N, να
ελαχιστοποιηθούν οι παρεµβολές των σηµάτων µεταξύ των µικρολωρίδων
και η κατανάλωση ενέργειας [10].
Αξίζει να σηµειωθεί ότι το αλουµινένιο στήριγµα σχηµατίζει κεκλιµένο
επίπεδο γωνίας 4.5ο
σε σχέση µε τη βάση των συστοιχιών, ώστε οι
αυτόνοµες µικροµονάδες να τοποθετούνται κατά τέτοιο τρόπο που να
εξασφαλίζεται η κάλυψη όλου του επιπέδου της συστοιχίας από τους
αισθητήρες πυριτίου. Τα ψηφιακά ηλεκτρονικά τοποθετούνται σε µητρική
κάρτα πάνω από τις µικροµονάδες και συνδέονται µε αυτές µέσω
επίπεδου καλωδίου (flat cable). Οι συστοιχίες τοποθετούνται εν συνεχεία η
µία δίπλα στην άλλη, ώστε να καλύπτεται ολόκληρη η επιφάνεια του
ανιχνευτή Preshower (Σχήµατα 1.5 και 1.6).
Σελίδα 18 από 100
19. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. Ανιχνευτές πυριτίου. Βαθµονόµηση των µικροµονάδων
µε παλµικό Laser.
2. ΑΝΙΧΝΕΥΤΕΣ ΠΥΡΙΤΙΟΥ. ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ ΤΩΝ
ΜΙΚΡΟΜΟΝΑ∆ΩΝ ΜΕ ΠΑΛΜΙΚΟ LASER.
2.1 Βασικές αρχές των µικρολωριδιακών ανιχνευτών
πυριτίου.
Οι ανιχνευτές ηµιαγωγών χρησιµοποιούνται στην Πυρηνική Φυσική από
το 1951, αλλά στην Φυσική Υψηλών Ενεργειών εµφανίστηκαν στη
δεκαετία του 1970 [2]. Το 1980 ο J. Kemmer εισάγει την επίπεδη (planar)
τεχνική κατασκευής ανιχνευτών πυριτίου. Σύµφωνα µε την επίπεδη
τεχνική, µε την κατάλληλη διάταξη διόδων σε µορφή µικρών λωρίδων
(strips) στην µια πλευρά ενός ανιχνευτή, είναι δυνατόν να εκτιµηθεί µε
µεγάλη ακρίβεια το σηµείο διέλευσης του σωµατίου. Έτσι γεννήθηκαν οι
ανιχνευτές πυριτίου (micro-strip silicon detectors), οι οποίοι σήµερα είναι
πολύ δηµοφιλείς στα πειράµατα Φυσικής Υψηλών Ενεργειών, λόγω της
πολύ καλής εσωτερικής διακριτικής ικανότητας µέτρησης της ενέργειας και
θέσης διελεύσεως φορτισµένων σωµατίων ή φωτονίων που παρέχουν
[10]. Στο πυρίτιο για παράδειγµα για κάθε 3.6eV ενέργεια που
απελευθερώνεται από τη διέλευση ενός φορτισµένου σωµατίου, παράγεται
ένα ζεύγος ηλεκτρονίου-οπής.
ΣΧΗΜΑ 2.1: Κάθετη τοµή ανιχνευτή πυριτίου.
Για να κατασκευαστεί ένας ανιχνευτής πυριτίου το µόνο που χρειάζεται
είναι µια δίοδος, δηλαδή µία επαφή µε χαµηλές προσµίξεις δοτών στη µια
πλευρά και υψηλή συγκέντρωση δεκτών στην άλλη (p+
n επαφή). Στο
Σελίδα 19 από 100
20. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. Ανιχνευτές πυριτίου. Βαθµονόµηση των µικροµονάδων
µε παλµικό Laser.
Σχήµα 2.1 φαίνεται σχηµατικά µια κάθετη τοµή ενός ανιχνευτή πυριτίου και
η διέλευση ενός φορτισµένου σωµατιδίου µε τη δηµιουργία ζευγών οπών –
ηλεκτρονίων.
Ένας λεπτός µονοκρύσταλλος πυριτίου τύπου n έχει στην πάνω πλευρά
λουρίδες πυριτίου p+
και στην κάτω ένα στρώµα από υψηλά
εµπλουτισµένο πυρίτιο n+
. Στη λωρίδα p+
εφαρµόζεται η ανάστροφη
πόλωση της επαφής για την απογύµνωση της περιοχής από ελεύθερα
ηλεκτρόνια και οπές. Το στρώµα n+
δεν επιτρέπει στη ζώνη κένωσης να
φτάσει στην πίσω πλευρά του ανιχνευτή, όπως επίσης δηµιουργεί καλή
ωµική επαφή µε το µέταλλο αλουµινίου µε το οποίο πραγµατοποιείται η
διασύνδεση µε την ανάστροφη πόλωση. Οι λωρίδες p+
είναι
επιµεταλλωµένες µε αλουµίνιο για να είναι δυνατή η µικροσυγκόλληση
συρµάτων µε ειδικές συσκευές και η σύνδεσή τους µε τα ηλεκτρονικά
ανάγνωσης. Η επίστρωση µε το SiO2 αποµονώνει τα γειτονικά strips. Στο
Σχήµα 2.2, φαίνεται η άκρη ενός ανιχνευτή µε τα πέλµατα συγκόλλησης.
Στο συγκεκριµένο ανιχνευτή η απόσταση µεταξύ των λωρίδων είναι 25µm,
ενώ στο τέλος κάθε λωρίδας υπάρχει ένα πέλµα επιφάνειας 60x120µm2
για την µικροσυγκόλληση.
ΣΧΗΜΑ 2.2: Το ένα άκρο ανιχνευτή πυριτίου
Εάν ένα φορτισµένο σωµάτιο ή φωτόνιο διέλθει από έναν ανιχνευτή
πυριτίου δηµιουργούνται ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών γύρω από την τροχιά
του φορτισµένου σωµατίου, σε ένα κύλινδρο διαµέτρου περίπου 1µm
(Σχήµα 2.1). Τα φορτία ολισθαίνουν κάτω από την επιρροή του ηλεκτρικού
πεδίου και συλλέγονται τα µεν ηλεκτρόνια στην πίσω πλευρά (n+
) οι δε
Σελίδα 20 από 100
21. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. Ανιχνευτές πυριτίου. Βαθµονόµηση των µικροµονάδων
µε παλµικό Laser.
οπές στις λωρίδες της µπροστινής πλευράς (p+
). Για έναν ανιχνευτή
πάχους 280µm και για τάση πόλωσης 100V, ο χρόνος για να συλλεχθούν
τα ηλεκτρόνια είναι περίπου 7ns και για τις οπές 19ns. Τα ηλεκτρόνια και οι
οπές στην πορεία τους προς τις δύο πλευρές του ανιχνευτή διαχέονται µε
πολλαπλές συγκρούσεις και µε διαφορετικό τρόπο λόγω διαφορετικής
κινητικότητας. Είναι προφανές ότι οι οπές που δηµιουργούνται στην πίσω
πλευρά του ανιχνευτή έχουν να διανύσουν µεγαλύτερη απόσταση και
διαχέονται περισσότερο. Το αποτέλεσµα είναι το συλλεγόµενο φορτίο να
είναι η υπέρθεση πολλών κατανοµών Gauss και αποτελεί την πληροφορία
που µπορεί να συλλεχθεί από τους αισθητήρες
Εκτός των ανιχνευτών πυριτίου µε διόδους-λωρίδες παράλληλες στη µία
όψη, χρησιµοποιούνται και ανιχνευτές µε διόδους-λωρίδες και στις δύο
όψεις µεταξύ τους. Με την εν λόγω τοπολογία είναι δυνατόν να
προσδιοριστεί µε µεγάλη ακρίβεια η x-y θέση του διερχόµενου
φορτισµένου σωµατιδίου ή φωτονίου.
2.2 Βαθµονόµηση των µικροµονάδων µε παλµικό
Laser.
Ο σχεδιασµός και η κατασκευή ενός συστήµατος βαθµονόµησης
ανιχνευτών πυριτίου προέκυψε από την ανάγκη ελέγχου καλής λειτουργίας
των ανιχνευτών πυριτίου και των ηλεκτρονικών οδήγησης, πριν την
εισαγωγή τους στον τελικό ανιχνευτή. Ο έλεγχος γίνεται µετά την
συναρµολόγηση των µικροµονάδων (modules) και έχει ως σκοπό τη
βαθµονόµηση των ανιχνευτών. Η προσοµοίωση της διέλευσης σωµατίων
από τον ανιχνευτή γίνεται µε τη πρόσπτωση φωτεινών παλµών Laser
µήκους κύµατος 1060nm (υπέρυθρο) πολύ µικρής διάρκειας (της τάξης
των 10nsec) [11].
Η επιλογή του µήκους κύµατος του Laser στο υπέρυθρο βασίστηκε στην
έξης αρχή:
Η απορρόφηση ή µη των φωτονίων σε έναν ηµιαγωγό εξαρτάται από το
ενεργειακό χάσµα (Εg) του υλικού και την ενέργεια των φωτονίων [12].
Φωτόνια µε ενέργεια Εph µικρότερη του Εg δεν απορροφούνται, γιατί τα
ηλεκτρόνια που υπάρχουν στην περιοχή σθένους χρειάζονται ενέργεια
µεγαλύτερη για να διεγερθούν. Φωτόνια µε ενέργεια Εph µεγαλύτερη του Εg
Σελίδα 21 από 100
22. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. Ανιχνευτές πυριτίου. Βαθµονόµηση των µικροµονάδων
µε παλµικό Laser.
απορροφούνται από το υλικό, καθότι διεγείρουν τα ηλεκτρόνια
προκαλώντας την µετακίνησή τους από την περιοχή σθένους στην
περιοχή αγωγιµότητας και δηµιουργούν µε αυτό τον τρόπο ζεύγη
ηλεκτρονίων – οπών. Συγκεκριµένα, ο αριθµός των φωτονίων που
απορροφώνται από ένα ηµιαγωγό εκφράζεται από τη Σχέση (2.1), όπου α
ο συντελεστής οπτικής απορρόφησης και W το πάχος του ηµιαγωγού.
N(W)=No{1-exp(-αW)} (2.1)
Ο συντελεστής απορρόφησης α (cm-1
) των φωτονίων που χαρακτηρίζει
το βαθµό απορρόφησης των φωτονίων ανά µονάδα διέλευσης του υλικού,
είναι ανάλογος του µήκους κύµατος των φωτονίων (Σχήµα 2.3). Εάν
χρησιµοποιήσουµε φωτόνια µε ενέργεια κοντά στο ενεργειακό χάσµα του
υλικού Εg, µπορούµε να δηµιουργήσουµε ζεύγη ηλεκτρονίων – οπών,
σχεδόν µε οµοιόµορφη κατανοµή κατά µήκος του βάθους διείσδυσης µέσα
από το υλικό, ενώ εάν χρησιµοποιήσουµε φωτόνια µε ενέργεια πολύ
µεγαλύτερη από το ενεργειακό χάσµα του υλικού Εg δηµιουργούµε ζεύγη
ηλεκτρονίων – οπών στην επιφάνεια πρόσπτωσης του υλικού. Για το
πυρίτιο το ενεργειακό χάσµα Εg είναι 1.12eV, σε θερµοκρασία δωµατίου,
που αντιστοιχεί σε µήκος κύµατος φωτονίων 1.1µm.
ΣΧΗΜΑ 2.3: ∆ιάγραµµα εξάρτησης του οπτικού συντελεστή
απορρόφησης α σε σχέση µε το µήκος κύµατος του
φωτός που προσπίπτει σε έναν ηµιαγωγό.
Σελίδα 22 από 100
23. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. Ανιχνευτές πυριτίου. Βαθµονόµηση των µικροµονάδων
µε παλµικό Laser.
Εποµένως, χρησιµοποιώντας ένα Laser µε µήκος κύµατος στα 1060nm
και ένα σύστηµα φακών εστίασης της δέσµης του Laser µε διάµετρο
σηµειακού φωτός (typical spot diameter) από 10-100µm µπορούµε να
προσοµοιώσουµε τη διέλευση ενός ή περισσοτέρων σωµατίων µέσα από
έναν ανιχνευτή πυριτίου.
2.3 Γενικές αρχές των Lasers.
Η λέξη L.A.S.E.R. «Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation», σηµαίνει «Ενίσχυση Φωτός δια Εξαναγκασµένης Εκποµπής
Ακτινοβολίας», φαινόµενο το οποίο αποτελεί τη βασική αρχή λειτουργίας
των Laser [13].
Η πρώτη θεωρητική ένδειξη και πρόβλεψη του φαινοµένου αυτού
οφείλεται στον Einstein (1917). Ωστόσο η πρώτη αξιοποίησή του στην
πραγµάτωση της δράσης Laser και στην κατασκευή της πρώτης πηγής
Laser ρουβινίου στο ερυθρό χρώµα, έγινε κατορθωτή από τον T.G.
Μaiman µόλις το 1960, παρά τις σχετικά απλές βασικές αρχές λειτουργίας.
Έκτοτε όµως, η εξέλιξη των Laser, η ανάπτυξη των εφαρµογών τους και η
προώθησή τους στον τοµέα της οπτικοηλεκτρονικής, αλλά και σε άλλους
τοµείς, υπήρξε ραγδαία και εντυπωσιακή. Αποτελεί δε ένα από τα
επιστηµονικά και τεχνολογικά γεγονότα που έχουν σφραγίσει έντονα την
εποχή µας.
Από την κατασκευή του πρώτου Laser µέχρι σήµερα, έχουν
κυκλοφορήσει διάφοροι τύποι και κατηγορίες και έχουν χρησιµοποιηθεί
πολυάριθµα υλικά.
Τα Laser είναι τεχνητές φωτοπηγές που παράγουν και εκπέµπουν
ενισχυµένη οπτική ακτινοβολία (ορατή, υπέρυθρη, ή υπεριώδη) ειδικού
τύπου. Η ακτινοβολία αυτή είναι ελεγχόµενη ως προς τη φωτεινή της έντα-
ση και τα άλλα κυµατικά της χαρακτηριστικά (φάση, συχνότητα-µήκος
κύµατος, πόλωση, κλπ.).
Ειδικότερα για τις οπτικοηλεκτρονικές εφαρµογές, οι κυριότερες
κατηγορίες Laser που έχουν µεγαλύτερη χρήση και παρουσιάζουν
περισσότερο ενδιαφέρον είναι τα Laser στερεού (ή προσµιγµένου
µονωτού), τα Laser αερίου και ιδίως τα Laser διόδου (diode).
Σελίδα 23 από 100
24. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. Ανιχνευτές πυριτίου. Βαθµονόµηση των µικροµονάδων
µε παλµικό Laser.
2.4 Laser διόδου (Diode Lasers).
Στα Laser διόδου η εκποµπή φωτός πραγµατοποιείται στην ενδιάµεση
περιοχή απογύµνωσης (depletion layer) ανάµεσα στις στάθµες της ζώνης
σθένους και της ζώνης αγωγιµότητας µετά από την εφαρµογή ορθής
τάσης στα άκρα της (Σχήµα 2.4). Η ροή του ρεύµατος που προκαλείται
εξαιτίας της τάσης, δηµιουργεί ανασυνδέσεις ηλεκτρονίων και οπών. Η
ενέργεια που αποδεσµεύεται σε κάθε ανασύνδεση αντιστοιχεί στην
ενέργεια που ελευθερώνεται κατά την πτώση των ηλεκτρονίων σε
χαµηλότερη στάθµη. Ένα µέρος της ενέργεια αυτής µετατρέπεται σε
θερµική, ενώ το υπόλοιπο εκδηλώνεται µε τη µορφή φωτονίων.
ΣΧΗΜΑ 2.4: ∆ιάγραµµα ενεργειακών σταθµών µιας φωτοδιόδου.
ΣΧΗΜΑ 2.5: Σχηµατική κατασκευή µιας Laser διόδου.
Με τη δηµιουργία οπτικής κοιλότητας (αντηχείο Fabry-Perot) που
οργανώνεται επάνω στο ίδιο το σώµα της διόδου, µε κατάλληλη τοπική
µορφοποίηση δύο αντικειµένων εδρών της στη θέση της περιοχής
απογύµνωσης (Σχήµα 2.5) προκαλούµε ενίσχυση των φωτονίων που
Σελίδα 24 από 100
25. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. Ανιχνευτές πυριτίου. Βαθµονόµηση των µικροµονάδων
µε παλµικό Laser.
αντιστοιχεί σε φωτοδέσµη υψηλής ενεργειακής πυκνότητας. Ένα µεγάλο
µέρος της παραπάνω δέσµης εκπέµπεται στο περιβάλλον ως δέσµη
Laser.
(α) (β)
ΣΧΗΜΑ 2.6: (α) Χαρακτηριστική καµπύλη ισχύος µιας Laser διόδου
σε σχέση µε το ρεύµα τροφοδοσίας.
(β) Τυπικό φάσµα εκποµπής Laser διόδου και
φωτοδιόδου (Led) (στενότερο εύρος ζώνης).
Στο Σχήµα 2.6α έχουµε την χαρακτηριστική καµπύλη φωτεινής ισχύος
εξόδου µιας Laser διόδου σε σχέση µε το ρεύµα που τροφοδοτείται.
Παρατηρούµε ότι όσο το ρεύµα ΙF παραµένει σε χαµηλά επίπεδα, π.χ.
κάτω του 0.1 Α, το Laser δίοδου λειτουργεί σαν µία τυπική φωτοδίοδος.
Υπ’ αυτό το καθεστώς, οι ανασυνδέσεις ελευθερώνουν στην πλειοψηφία
τους «ασύµφωνα» φωτόνια, τα οποία και απελευθερώνονται –όσα τελικά
το κατορθώσουν- στο περιβάλλον µε τη µορφή ακτινοβολίας
«φωταύγειας» της επαφή ΡΝ. Με την αύξηση του ρεύµατος IF υπερβούµε
το κατώφλι ρεύµατος (threshold) Ith π.χ. 0.1 Α, ο αποικισµός της ζώνης
αγωγιµότητας σε ηλεκτρόνια γίνεται τόσο πυκνός, ώστε δηµιουργείται
«αντιστροφή πληθυσµού» στη ζώνη αυτή σε σχέση µε τις στάθµες της ζώ-
νης σθένους. Η κατάσταση αυτή, αν συνυπάρχει και η αναγκαία οπτική
κοιλότητα, οδηγεί σε έναυση της δέσµης Laser, η οποία εξαπολύεται από
τις δύο κατοπτρικά λειασµένες έδρες της διόδου. Ταυτόχρονα, η κβαντική
απόδοση της διόδου - άρα και η εκπεµπόµενη φωτεινή ισχύς - αυξάνονται
απότοµα.
Σελίδα 25 από 100
26. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. Ανιχνευτές πυριτίου. Βαθµονόµηση των µικροµονάδων
µε παλµικό Laser.
Βασική διαφορά µεταξύ Laser και φωτοδιόδων είναι ότι τα Laser έχουν
στενότερο εύρος ζώνης φάσµατος (Σχήµα 2.6β). Ακόµη η µεταβολή της
θερµοκρασίας έχει επίπτωση τόσο στην απόδοση και την εκπεµπόµενη
φωτεινή ισχύ, όσο και στο µήκος κύµατος εκποµπής των Laser διόδου.
Συγκεκριµένα, η αύξηση της θερµοκρασίας προκαλεί µετάθεση της
χαρακτηριστικής καµπύλη του Laser διόδου προς µεγαλύτερα ρεύµατα και
αύξηση του ρεύµατος κατωφλίου, δυσκολεύοντας έτσι την έναυσή του
(Σχήµα 2.7). Το ίδιο ισχύει και για το µήκος κύµατος που όταν αυξάνεται η
θερµοκρασία του Laser διόδου αυξάνεται και το µήκος κύµατος της
κεντρικής γραµµής εκποµπής του.
ΣΧΗΜΑ 2.7: Επίδραση της θερµοκρασίας στη χαρακτηριστική
γραµµικότητας ενός Laser.
2.5 Έλεγχος απόκρισης του Laser της πειραµατικής
διάταξης.
Το Laser που χρησιµοποιήθηκε για τις ανάγκες του πειράµατος, είναι της
κατασκευάστριας εταιρίας “Fermionics Lasertech”. Κατασκευαστικά είναι
τύπου «pig-tail single mode» που σηµαίνει ότι το Laser είναι εφοδιασµένο
από το εργοστάσιο κατασκευής του µε «ουρά» οπτικής µονότροπης ίνας,
(εκπέµπει µια µονήρη φασµατική γραµµή), συνηµµένη στην εστία
φωτοεκποµπής. Με τον τρόπο αυτό µειώνουµε τα συνήθη προβλήµατα
διοχέτευσης της φωτοδέσµης µέσα στην οπτική ίνα. Το Laser ψύχεται
θερµοηλεκτρικά, ώστε να πετυχαίνεται η απρόσκοπτη λειτουργία του. Το
άθροισµα των ρευµάτων που απαιτούνται για την οδήγηση και για τη ψύξη
είναι αρκετά µεγάλο, εποµένως απαιτείται τροφοδοτικό µε µεγάλη ισχύ.
Όλα τα παραπάνω συνηγορούν το υψηλό κόστος της µονάδος του οδηγού
Laser.
Σελίδα 26 από 100
27. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. Ανιχνευτές πυριτίου. Βαθµονόµηση των µικροµονάδων
µε παλµικό Laser.
Στο Σχήµα 2.8 φαίνεται η µονάδα του “οδηγού Laser” που αποτελείται
από τη Laser δίοδο, την οπτική ίνα και τα διάφορα ηλεκτρονικά που
παρέχουν στο Laser τα κατάλληλα ρεύµατα για την οδήγησή του και ψύξη
του. Τα χαρακτηριστικά του Laser φαίνονται στον πίνακα του Σχήµατος
2.9.
ΣΧΗΜΑ 2.8: Η µονάδα του «οδηγού Laser».
ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ
ΤΕΣΤ
Ελαχ. Τυπ. Μεγ. Units
Ρεύµα Κατωφλίου (Ith) CW 15 35 mA
Τάση Πόλωσης CM, If=60mA 2 2.5 V
Οπτική Ισχύς CM, If=Ith+30mA 0.5 1 mW
Peak Wavelength CW,Po=1mW 1050 1060 1070 nm
Χρόνος Ανόδου Po=1mW, Ibias=Ith 0.2 0.5 nsec
Χρόνος Καθόδου Po=1mW, Ibias=Ith 0.4 0.5 nsec
TEC Ρεύµατος - - 0.8 Α
CW = Συνεχούς Παροχής
Ith = Ρεύµα κατωφλίου
ΣΧΗΜΑ 2.9: Χαρακτηριστικά στοιχεία του παλµικού Laser.
Για να γίνει δυνατή η µέτρηση της πραγµατικής ισχύος του Laser στην
έξοδο της οπτικής ίνας, δηλαδή εκεί που συνδέεται ο οπτικός φακός
χρησιµοποιούµε έναν οπτικό σε ηλεκτρικό µετατροπέα (Σχήµα 2.10) [14].
Στην είσοδο του µετατροπέα συνδέουµε την οπτική ίνα του Laser, ενώ
στην έξοδό του συνδέουµε έναν παλµογράφο (Σχήµα 2.11).
Σελίδα 27 από 100
28. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. Ανιχνευτές πυριτίου. Βαθµονόµηση των µικροµονάδων
µε παλµικό Laser.
Χρησιµοποιώντας µια γεννήτρια παλµών, δίνουµε µια σειρά από παλµούς
πλάτους από 0.3V έως 1.9V για είσοδο στον οδηγό του Laser και
µετρούµε στον παλµογράφο την απόκριση του. Στα Σχήµατα 2.12(α)
απεικονίζονται οι παλµοί στην είσοδο του οδηγού του Laser, ενώ στα
Σχήµατα 2.12(β) απεικονίζονται οι αντίστοιχες κυµατοµορφές εξόδου του
µετατροπέα στον παλµογράφο. Η ενίσχυση του µετατροπέα ρυθµίστηκε
στα 12000V/W. Παρατηρούµε ότι την καλύτερη απόκριση στο Laser [10]
[11], την έχουµε για παλµούς εισόδου µε πλάτος κοντά στα 840mV και
διάρκειας 5nsec, οι οποίοι παράγουν παλµούς Laser µε ικανοποιητική ισχύ
και οµοιόµορφη κατανοµή.
ΣΧΗΜΑ 2.10: Μετατροπέας οπτικού σε ηλεκτρικού σήµατος.
Μετατροπέας
οπτικού σε
ηλεκτρικού
Οδηγός
Λέιζερ
Γεννήτρια
Παλµών
Οπτική ίνα
(β) (α)
Καλώδια Παλµογράφου
ΣΧΗΜΑ 2.11: ∆ιάταξη βαθµονόµησης του Laser.
(α) Γεννήτρια (β) Laser
Σελίδα 28 από 100
29. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. Ανιχνευτές πυριτίου. Βαθµονόµηση των µικροµονάδων
µε παλµικό Laser.
(α) Γεννήτρια (β) Laser
(α) Γεννήτρια (β) Laser
ΣΧΗΜΑ 2.12: (α) Οι παλµοί της γεννήτριας στην είσοδο του οδηγού
Laser.
(β) Η έξοδος του µετατροπέα µετά τη µετατροπή του
οπτικού σήµατος του Laser σε ηλεκτρικό.
2.6 Η πειραµατική διάταξη βαθµονόµησης των
ανιχνευτών.
Για την ολοκλήρωση της πειραµατικής διάταξης βαθµονόµησης (Σχήµα
2.13), απαιτήθηκε η κατασκευή των µονάδων του προγραµµατιζόµενου
εξασθενητή παλµών (Programmable Pulse Attenuator), του ελεγκτή I2C
(I2C Controller), µιας µηχανικής διάταξης στηρίξεως, κατάλληλα
σχεδιασµένης, ώστε να δέχεται το βηµατικό κινητήρα µαζί µε τις
µικροµονάδες και το οπτικό σύστηµα εστίασης της δέσµης του Laser.
Επίσης, έγινε ο προγραµµατισµός των οδηγών των συνολικών µονάδων
του συστήµατος και η ενσωµάτωσή τους στο γενικό panel ελέγχου στο
LabView.
Σελίδα 29 από 100
30. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. Ανιχνευτές πυριτίου. Βαθµονόµηση των µικροµονάδων
µε παλµικό Laser.
Ο προγραµµατιζόµενος εξασθενητής παλµών, λαµβάνοντας το σήµα
σκανδαλισµού (trigger) από τη µονάδα Sequencer, δίνει τον κατάλληλο
παλµό ενεργοποίησης του Οδηγού Laser (Laser Driver). Η χρονική
διάρκεια καθορίζεται από διακόπτη που βρίσκεται στην µονάδα του
προγραµµατιζόµενου εξασθενητή παλµών, ενώ το ύψος του παλµού
καθορίζεται µέσω του ελεγκτή I2C και µε τη βοήθεια του γενικού Panel
ελέγχου του LabView στο PC.
ΣΧΗΜΑ 2.13: ∆ιάταξη βαθµονόµησης των ανιχνευτών.
Η δυνατότητα εστίασης και τοποθέτησης των µικροµονάδων σε σχέση
µε τη δέσµη του φακού του Laser επιτυγχάνεται, κάνοντας χρήση των
κοχλιών της διάταξης κατά τους άξονες Υ και Z. Μέσω του λογισµικού
ελέγχου από το PC ελέγχουµε την κίνηση του βηµατικού κινητήρα κατά τη
διεύθυνση Χ.
Η γενική διάταξη περιλαµβάνει επίσης τις µονάδες του FE Control και
του Sequencer, οι οποίες παράγουν σήµατα βαθµονόµησης και χρονισµού
και είναι τοποθετηµένες στο δίαυλο VME. Παράλληλα, η ανάγνωση των
σηµάτων από τα ηλεκτρονικά των ανιχνευτών γίνεται από την µονάδα FE
Readout η οποία τοποθετείται και αυτή στο δίαυλο VME. Η όλη διαδικασία
βαθµονόµησης των ανιχνευτών αυτοµατοποιήθηκε µε την ανάπτυξη ενός
γενικότερου λογισµικού σε LabView, που ενσωµατώνει στον πυρήνα του
και τους οδηγούς των παραπάνω µονάδων. Έτσι επιτυγχάνεται αυτόµατη
σάρωση των 32 λουρίδων του ανιχνευτή πυριτίου µε ρίψη συγκεκριµένου
Σελίδα 30 από 100
31. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. Ανιχνευτές πυριτίου. Βαθµονόµηση των µικροµονάδων
µε παλµικό Laser.
αριθµού παλµών (50-100) φωτός Laser. Οι µετρήσεις αποθηκεύονται
προσωρινά στην µονάδα FE Readout και µε τη βοήθεια του Panel ελέγχου
έχουµε επιλεκτική εµφάνιση των µετρήσεων στην οθόνη, εµφανίζοντας
συγχρόνως και το ιστορικό των µετρήσεων σε µορφή ιστογραµµάτων.
Σελίδα 31 από 100
32. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. Ανάπτυξη και κατασκευή µονάδας προγραµµατιζόµενου
εξασθενητή παλµών (ΠΕΠ).
3. ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΜΟΝΑ∆ΑΣ
ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΖΟΜΕΝΟΥ ΕΞΑΣΘΕΝΗΤΗ ΠΑΛΜΩΝ.
3.1 Το πρότυπο LVDS, γενικές αρχές
Το πρότυπο LVDS (Low Voltage Differential Signalling) [15], πληροί τις
απαιτήσεις της σύγχρονης τεχνολογίας για µετάδοση δεδοµένων µε
µεγάλες ταχύτητες και ταυτόχρονα µικρή κατανάλωση ισχύος. Μπορεί να
χρησιµοποιηθεί σε ηλεκτρονικά κυκλώµατα που έχουν χαµηλή τροφοδοσία
(2V) και χαρακτηρίζεται από ένα χαµηλό διαφορικό σήµα των 350mV
(250mV min - 450mV max). O ρυθµός µετάδοσης αρχίζει από συνεχή
τάση (DC), µέχρι και 1Gbps. Τα δεδοµένα µεταφέρονται µε χαµηλής τάσης
διαφορικά σήµατα, έτσι ώστε ο θόρυβος που εγκλωβίζεται στους δύο
αγωγούς µεταφοράς να αφαιρείται από το δέκτη. Η τεχνολογία LDVS είναι
µια εναλλακτική λύση έναντι των κυκλωµάτων λογικής σύζευξης εκποµπού
(ECL), τα οποία ενώ έχουν πολύ µικρούς χρόνους καθυστέρησης,
εντούτοις καταναλώνουν µεγάλα ποσά ισχύος και δεν έχουν µεγάλη ανοχή
στο θόρυβο.
3.2 Μετατροπή LVDS σε TTL
Η µονάδα Sequencer όπως αναφέραµε βρίσκεται τοποθετηµένη στο
κουτί του διαύλου VME και δίνει το βασικό παλµό σκανδαλισµού στη
µονάδα του προγραµµατιζόµενου εξασθενητή παλµών για να ξεκινήσει η
διαδικασία έναυσης του Laser. Για τη µεταφορά του παλµού αυτού
χρησιµοποιείται το πρότυπο επικοινωνίας LVDS. Εποµένως η µονάδα του
προγραµµατιζόµενου εξασθενητή παλµών θα πρέπει να περιλαµβάνει στο
σχεδιασµό της και ένα κύκλωµα µετατροπής των σηµάτων από LVDS σε
TTL, ώστε να µπορέσει να µεταφέρει το σήµα σκανδαλισµού σε άλλα
εσωτερικά του κυκλώµατα.
Για την µεταφορά των σηµάτων LVDS απαιτείται ένας οδηγός (driver) και
ένας δέκτης (receiver) (Σχήµα 3.1). Στον οδηγό εισάγεται ένας ψηφιακός
παλµός (0V ή 5V) TTL και µετατρέπεται σε διαφορικό σήµα των 350mV.
Το σήµα µεταφέρεται στις εισόδους του δέκτη, που τερµατίζεται σε µια
αντίσταση 100Ω και µετατρέπεται ξανά σε ψηφιακό TTL. Οι έξοδοι του
Σελίδα 32 από 100
33. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. Ανάπτυξη και κατασκευή µονάδας προγραµµατιζόµενου
εξασθενητή παλµών (ΠΕΠ).
οδηγού αποτελούν ουσιαστικά µια πηγή ρεύµατος των 3.5mA, που όταν
τερµατίζεται στην αντίσταση των 100Ω προκαλεί διαφορά δυναµικού
350mV στις εισόδους του δέκτη. Όταν η είσοδος του οδηγού εναλλάσσεται
µεταξύ 0 και 5V, αλλάζει η κατεύθυνση του ρεύµατος που διαρρέει την
αντίσταση, ώστε στο δέκτη να γίνεται κατανοητή η εναλλαγή µεταξύ του
λογικού ‘’µηδέν’’ και του λογικού ‘’ένα’’.
∆έκτηςΟδηγός
ΣΧΗΜΑ 3.1: Η λειτουργία οδηγού και δέκτη LVDS.
Ο δέκτης που χρησιµοποιήθηκε για τη µετατροπή του σήµατος από
LVDS σε TTL είναι ο DC90C402 της εταιρίας National Semiconductor
(Σχήµα 3.2). Πρόκειται για διπλό δέκτη µε τροφοδοσία +5V και χρόνο
απόκριση για τη µετατροπή του LVDS σε TTL γύρω στα 3.5nsec [16]. Στο
Σχήµα 3.3(α) φαίνεται σχηµατικά η µετατροπή των σηµάτων LVDS σε TTL,
ενώ στο Σχήµα 3.3(β) φαίνονται τα ίδια σήµατα µετρούµενα µε
παλµογράφο στην είσοδο της µονάδας του προγραµµατιζόµενου
εξασθενητή παλµών.
ΣΧΗΜΑ 3.2: Ο δέκτης DS90C402.
Σελίδα 33 από 100
34. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. Ανάπτυξη και κατασκευή µονάδας προγραµµατιζόµενου
εξασθενητή παλµών (ΠΕΠ).
(α) (β)
ΣΧΗΜΑ 3.3: Τα σήµατα LVDS και TTL.
(α) Όπως παρουσιάζονται στο Datasheet της National.
(β) Μετρούµενα στην µονάδα του Προγραµµατιζόµενου
Εξασθενητή παλµών.
3.3 Η µονάδα του Προγραµµατιζόµενου Εξασθενητή
Παλµών (ΠΕΠ).
Όπως αναφέρθηκε στην εισαγωγή η µονάδα του προγραµµατιζόµενου
εξασθενητή παλµών (programmable pulse attenuator) στην είσοδο
λαµβάνει σήµατα σκανδαλισµού σε µορφή LVDS από τη µονάδα του
Sequencer και στην έξοδο δίνει παλµούς στη µονάδα οδήγησης του Laser
µικρής χρονικής διάρκειας 5,7.5,10,12.5,15nsec και προγραµµατιζόµενου
πλάτους από 200mV µέχρι 2Volt. Στο Σχήµα 3.4 φαίνεται η βασική λογική
υλοποίησης της παραπάνω µονάδας, µε τη χρήση ενός µετατροπέα
ψηφιακού σήµατος σε αναλογικό DAC (digital to analog converter). Με
κατάλληλο προγραµµατισµό του DAC, η αναλογική έξοδός του προωθείται
στην µια είσοδο του πολυπλέκτη (S1). Το LVDS σήµα από τον Sequencer
διέρχεται από τον LVDS Receiver (ολοκληρωµένο DS90C402) και
µετατρέπεται σε TTL. Στη συνέχεια προωθείται στον προγραµµατιζόµενο
One Shot Pulse Generator, ο οποίος µε τη σειρά του παράγει ένα παλµό
TTL µε χρονική διάρκεια 5,7.5,10,12.5 και 15nsec προγραµµατιζόµενη
µέσου ενός διακόπτη (SW2 Σχήµα 3.10). Ο παλµός αυτός αποτελεί την
δεύτερη είσοδο του πολυπλέκτη (S2) και καθορίζει το πότε το αναλογικό
σήµα από τον DAC θα περάσει στον buffer για την τελική του έξοδο προς
το Laser. Η παραπάνω µονάδα παρέχει και τη δυνατότητα εκτός από
σήµατα εισόδου LVDS να δέχεται κατευθείαν και σήµατα TTL, ώστε να
Σελίδα 34 από 100
35. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. Ανάπτυξη και κατασκευή µονάδας προγραµµατιζόµενου
εξασθενητή παλµών (ΠΕΠ).
µπορεί να χρησιµοποιηθεί και ανεξάρτητα του Sequencer, για παράδειγµα
µε µια γεννήτρια παλµών.
I
SEQ
X- Stage
Driver
Stepper motor
Remote
8-bit I/O expander
for I2C bus
B1
B8
Vref
GND
Vout
ENB
D/A Converter
8 I/O bit bus
S1
S2
D
C ENB
Multiplexer
LVDS
Buffer
Programmable
One- shot
Pulse Generator
LVDS RECEIVER
LVDS to TTL
Voltage Reference
10Volts
Output to
IR Laser
Diode
Programmable
DC voltage
from 0 to 4 Volts
Programmable
TTL Pulse
5, 7.5, 10, 12.5 , 15 nsec
Programmable Positive Pulses
5, 7.5, 10, 12.5 , 15 nsec
from 0.2V to 1.5 Vollts
Terminated to 50Ù
I2C bus
LabView Application
LabView Application
Pulse Programmable Attenuator
RS 232
I2C
Bus
TTL
JUMPER
ΣΧΗΜΑ 3.4: Σχηµατικό διάγραµµα της µονάδας του
προγραµµατιζόµενου εξασθενητή παλµών.
Ο προγραµµατισµός του DAC γίνεται µε το πρωτόκολλο I2C. Για τον
λόγο αυτό η µονάδα ΠΕΠ συνδέεται ως slave στο I2C-bus, που µε τη
σειρά του καταλήγει στην σειριακή θύρα του PC. Η είσοδος του σήµατος
I2C στην µονάδα γίνεται µέσω βύσµατος LEMO στο BNC J1 (Σχήµα 3.10)
και οδηγείται στο ολοκληρωµένο PCF8574 της εταιρείας Philips
Semiconductor [17]. Το PCF8574 είναι ένας µετατροπέας Ι2C σε 8bit I/O
εξόδους που αποτελούν τις αντίστοιχες 8bit ψηφιακές εισόδους του DAC.
Η διεύθυνση αυτής της µονάδας στο I2C-bus καθορίζεται µε τον διακόπτη
τριών θέσεων SW1 (Σχήµα 3.10). Ο µετατροπέας ψηφιακού σήµατος σε
αναλογικό είναι ο DAC800 της εταιρείας National Semiconductor [18], [19].
Πρόκειται για έναν µετατροπέα ρεύµατος των 8bit που λειτουργεί µε τάση
αναφοράς Vref=10V και ρεύµα αναφοράς Iref=2mA. Λόγω των 8bit που
διαθέτει στην είσοδό του (pin B1-B8) και της συγκεκριµένη τοπολογίας που
επιλέχθηκε (Σχήµα 3.5), πετυχαίνουµε συνδυασµό 256 διαφορετικών
Σελίδα 35 από 100
36. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. Ανάπτυξη και κατασκευή µονάδας προγραµµατιζόµενου
εξασθενητή παλµών (ΠΕΠ).
τιµών ρεύµατος (που αντιστοιχούν σε 256 διαφορετικών τιµών τάσης στην
έξοδο, θετικές και αρνητικές). Επειδή όµως ο οδηγός του Laser απαιτεί
θετικές τάσεις για τη λειτουργία του, από τις 256 στάθµες του DAC
χρησιµοποιούνται µόνο οι µισές (128).
ΣΧΗΜΑ 3.5: Ο DAC 0800 και οι 256 διακριτές τιµές εξόδους του για
τη συγκεκριµένη τοπολογία σύνδεσής του.
Για την επίτευξη της σταθερής τάσης αναφοράς των 10Volt που
απαιτείται στον DAC (pin 14), χρησιµοποιείται το ολοκληρωµένο LM336-
5V της National [20], µια µεταβαλλόµενη αντίσταση R9 µε εύρος 0-10ΚΩ
(trimmer) και ο ενισχυτής LM308 [21] (Σχήµα 3.10). Τροφοδοτώντας το
δικτύωµα αυτό µε +15V παίρνουµε στην έξοδο του ενισχυτή την
σταθεροποιηµένη τάση των 10Volt. Με ακριβή ρύθµιση της
µεταβαλλόµενης αντίστασης R9 επιτυγχάνουµε ακριβώς τάση 10Volt στην
έξοδο του ενισχυτή LM308. Η σταθεροποιηµένη τάση των 10V οδηγείται
µέσω µιας αντίστασης 5ΚΩ στην είσοδο Vref του µετατροπέα DAC (pin14).
Αυτή η τιµή της αντίστασης έχει ως αποτέλεσµα τη δηµιουργία του
απαιτούµενου ρεύµατος αναφοράς Iref των 2mA. Στη συνέχεια οι έξοδοι
(pin4 & pin2) του µετατροπέα DAC (Σχήµα 3.10), οδηγούνται στις
εισόδους (pin3 & pin2) του ενισχυτή LM741 [22], για την µετατροπή του
ρεύµατος σε τάση. Η περιοχή τάσης στην οποία κυµαίνεται η έξοδος του
ενισχυτή αυτού έχει άµεση εξάρτηση από την αντίσταση ανάδρασης (R2)
που συνδέεται στον ακροδέκτη εισόδου (-) (Pin2) του ενισχυτή. Ο άλλος
ακροδέκτης εισόδου (+) (Pin3) του ενισχυτή γειώνεται µέσω µιας
αντίστασης R4 2ΚΩ. Στο συγκεκριµένο κύκλωµα του Σχήµατος 3.10
επιλέχθηκε αντίσταση ανάδρασης R2=2.03ΚΩ, που έχει σαν αποτέλεσµα
η περιοχή τιµών τάσης στην έξοδο του ενισχυτή (pin6) να είναι από 0V έως
+4V. Αυτή η περιοχή εύρους 4V ανάλογα µε τις τιµές των 8bit στην είσοδο
του DAC (pin5 έως pin 12) διαιρείται σε 128 διαφορετικές τιµές µε βήµα ίσο
Σελίδα 36 από 100
37. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. Ανάπτυξη και κατασκευή µονάδας προγραµµατιζόµενου
εξασθενητή παλµών (ΠΕΠ).
µε 32mV. Για τη µετατροπή αυτής της συνεχούς τάσης σε παλµό,
χρησιµοποιείται ένας πολύ γρήγορος πολυπλέκτης ως διακόπτης, ο
SN74CBT3253 της Texas Instruments [23]. Στην είσοδο (pin7) του
πολυπλέκτη οδηγείται η συνεχής τάση που δηµιουργεί η διάταξη του DAC
και του ενισχυτή LM741. Στην είσοδο ελέγχου (pin2) του πολυπλέκτη
εφαρµόζεται ο παλµός TTL που προέρχεται από το ολοκληρωµένο
DS1040 της Dallas Semiconductor [24]. Το ολοκληρωµένο DS1040 είναι
µια προγραµµατιζόµενη γεννήτρια παλµών (Programmable One-shot
Pulse Generator) η οποία για κάθε TTL σήµα σκανδαλισµού στην είσοδό
της (pin1) παράγει στην έξοδό της (pin3) παλµό TTL, προγραµµατιζόµενης
χρονικής διάρκειας µέσω ενός διακόπτη τριών θέσεων (SW2). O παλµός
από την γεννήτρια παλµών (DS1040) που εφαρµόζεται στην είσοδο
ελέγχου του πολυπλέκτη (pin 2) λειτουργεί ως εξής: στο µέτωπο ανόδου
ανοίγει την είσοδο του πολυπλέκτη και στο µέτωπο καθόδου την κλείνει.
Αποτέλεσµα της διαδικασίας αυτής είναι η µετατροπή της συνεχούς τάσης
που προέρχεται από τον LM741 σε παλµό στην έξοδο του πολυπλέκτη. Ο
παλµός από την έξοδο του πολυπλέκτη (Pin4) οδηγείται στον γρήγορο
buffer CLC111Α [25], ώστε να υπάρχει δυνατότητα να οδηγηθούν
κυκλώµατα που απαιτούν αρκετό ρεύµα. Ο CLC111A είναι ένας buffer
υψηλής απόδοσης κλειστού βρόγχου, που µπορεί να διαχειριστεί αρκετά
γρήγορα σήµατα έως 800MHz, µε 0,996 κέρδος και ρεύµα εξόδου 60mA.
Μεταξύ του πολυπλέκτη και του buffer CLC111A παρεµβάλλεται µια
αντίσταση R3 (25Ω) ως προς τη γη, η οποία βελτιώνει µεν τη µορφή των
τετραγωνικών παλµών στην είσοδο του buffer, αλλά προκαλεί µια
εξασθένηση στο σήµα. Η έξοδος (pin8) του buffer µέσου βύσµατος LEMO
Connector συνδέεται µε καλώδιο 50Ω στην είσοδο σκανδαλισµού του
οδηγού Laser πετυχαίνοντας παλµούς τάσης από 200mV έως 2V.
Συµπληρωµατικά αναφέρουµε ότι η µονάδα έχει τη δυνατότητα µε την
αλλαγή θέσης του Jumper J5 HEADER 4/SM (Σχήµα 3.8 & 3.10) ως
είσοδο σκανδαλισµού, εκτός από LVDS να λαµβάνει και σήµατα TTL.
Παράλληλα οι τροφοδοσίες που χρησιµοποιούνται στην πλακέτα είναι
±15V και ±5V για τα αναλογικά κυκλώµατα της µονάδας, ενώ για τα
ψηφιακά χρησιµοποιείται +5/0V που παρέχεται επιπρόσθετα από τη
Σελίδα 37 από 100
38. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. Ανάπτυξη και κατασκευή µονάδας προγραµµατιζόµενου
εξασθενητή παλµών (ΠΕΠ).
µονάδα του I2C ελεγκτή (Σχήµα 3.7). Ο διαχωρισµός αυτός έγινε για
λόγους µείωσης θορύβου και παρεµβολών. Για τον ίδιο λόγο έγινε επίσης
επιµετάλλωση της πλακέτα και από τις δύο πλευρές της.
Στο Σχήµα 3.6 φαίνεται µια γενική άποψη της µονάδα του
προγραµµατιζόµενου εξασθενητή παλµών, ενώ στο Σχήµα 3.8 φαίνεται το
άνω µέρος της µονάδος µαζί µε τις συνδέσεις και τις ρυθµίσεις που
απαιτούνται για την λειτουργία της. Στο Σχήµα 3.9 φαίνεται το εσωτερικό
της και το PCB της πλακέτας παρουσιάζεται στο Παράρτηµα ∆.
ΣΧΗΜΑ 3.6: Η µονάδα του προγραµµατιζόµενου εξασθενητή παλµών.
ΣΧΗΜΑ 3.7: Τροφοδοσίες της πλακέτας. (±15V και ±5V για τα
αναλογικά κυκλώµατα και +5/0V Dig για τα ψηφιακά).
Σελίδα 38 από 100
39. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. Ανάπτυξη και κατασκευή µονάδας προγραµµατιζόµενου
εξασθενητή παλµών (ΠΕΠ).
ΣΧΗΜΑ 3.8: Άνω µέρος της πλακέτας.
ΣΧΗΜΑ 3.9: Το εσωτερικό της µονάδας.
Σελίδα 39 από 100
41. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. Ανάπτυξη και κατασκευή µονάδας προγραµµατιζόµενου
εξασθενητή παλµών (ΠΕΠ).
3.4 Ανάπτυξη λογισµικού για τον έλεγχο της µονάδος.
Η µονάδα ΠΕΠ ελέγχεται και προγραµµατίζεται µέσω LabView σε PC µε
περιβάλλον Windows. Ο κώδικας αναπτύχθηκε στα πλαίσια αυτής της
µεταπτυχιακής εργασίας. Ο υπολογιστής επικοινωνεί µέσου πρωτοκόλλου
RS-232 µε τη µονάδα του ελεγκτή Ι2C, η οποία υλοποιεί το πρωτόκολλο
επικοινωνίας I2C. Στη συνέχεια στο δίαυλο Ι2C συνδέεται µε συγκεκριµένη
διεύθυνση ο προγραµµατιζόµενος εξασθενητής παλµών ως slave και
υπακούει στις εντολές του ελεγκτή I2C.
Η κύρια οθόνη επικοινωνίας και ελέγχου του χρήστη µε τη µονάδα του
προγραµµατιζόµενου εξασθενητή παλµών φαίνεται στο Σχήµα 3.11, ενώ
στο Σχήµα 3.12 φαίνεται ένα τυπικό Block προγραµµατισµού της µονάδος.
Ο χρήστης για να καθορίσει το πλάτος του παλµού, αφού πρώτα ορίσει µε
ποια σειριακή πόρτα έχει επικοινωνία, ρυθµίζει τον περιστρεφόµενο
διακόπτη στην επιθυµητή τάση (σε Volt) και πατάει το κουµπί “SET”. Σε
περίπτωση που υπάρξει πρόβληµα επικοινωνίας µεταξύ της σειριακής
πόρτας και της µονάδας η ένδειξη “I/O Error” γίνεται κόκκινη.
ΣΧΗΜΑ 3.11: Έλεγχος της µονάδας µέσου λογισµικού.
Σελίδα 41 από 100
42. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. Ανάπτυξη και κατασκευή µονάδας προγραµµατιζόµενου
εξασθενητή παλµών (ΠΕΠ).
ΣΧΗΜΑ 3.12: Τυπικό Block προγραµµατισµού της µονάδος.
Ο καθορισµός της χρονικής διάρκειας του παλµού εξόδου της µονάδας
επιτυγχάνεται µέσω του διακόπτη SW2 στο πάνω µέρος της µονάδας
(Σχήµα 3.8) που ρυθµίζεται σύµφωνα µε τον Πίνακα του Σχήµατος 3.13.
PIN 5ns 7.5ns 10ns 12.5ns 15ns
1 OFF OFF OFF ON ON
2 OFF ON ON OFF OFF
3 ON OFF ON OFF ON
ΣΧΗΜΑ 3.13: Οι θέσεις του διακόπτη SW2 για τον καθορισµό της
χρονικής διάρκειας του παλµού.
Σελίδα 42 από 100
43. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. Ανάπτυξη και κατασκευή µονάδας προγραµµατιζόµενου
εξασθενητή παλµών (ΠΕΠ).
3.5 Έλεγχος λειτουργίας της µονάδας.
Στην πειραµατική διάταξη του Σχήµατος 3.14, χρησιµοποιούµε µια
γεννήτρια παλµών για να προσοµοιώσουµε του παλµούς σκανδαλισµού
(trigger) από τη µονάδα του Sequencer και έναν παλµογράφο για να
ελέγξουµε την έξοδο της µονάδος ΠΕΠ. Η µονάδα ΠΕΠ συνδέεται στο
δίαυλο I2C-bus και ο έλεγχός της γίνεται µέσω PC µε LabView (ίδε
προηγούµενη παράγραφο).
Γεννήτρια
Παλµών
I2C Ελεγκτής
LabView
I2C Bus
RS 232
ΠαλµογράφοςΕΞΟ∆ΟΣ
Προγραµµατιζόµενος
Εξασθενητής Παλµών
ΕΙΣΟ∆ΟΣ I2C
ΕΙΣΟ∆ΟΣ Trigger
ΣΧΗΜΑ 3.14: Κύκλωµα ελέγχου του ΠΕΠ.
ΣΧΗΜΑ 3.15: Σήµατα σκανδαλισµού τύπου LVDS στην είσοδο της
µονάδας ΠΕΠ.
Αρχικά κάνοντας χρήση του jumper που βρίσκεται στο άνω µέρος της
πλακέτας (Σχήµα 3.8), ρυθµίζουµε τη µονάδα, ώστε για παλµούς
σκανδαλισµού να δέχεται σήµατα LVDS (Σχήµα 3.15). Χρησιµοποιώντας
µια γεννήτρια παλµών τύπου LVDS εφαρµόζουµε στην είσοδο
σκανδαλισµού της µονάδας ΠΕΠ τα σήµατα LVDS που φαίνονται στο
Σχήµα 3.15. Συνδέοντας έναν παλµογράφο στην έξοδο της µονάδας ΠΕΠ
ελέγχουµε τον τρόπο που ανταποκρίνεται η µονάδα, µεταβάλλοντας το
πλάτος και τη χρονική διάρκεια των παλµών εξόδου της. Τα πειραµατικά
Σελίδα 43 από 100
44. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. Ανάπτυξη και κατασκευή µονάδας προγραµµατιζόµενου
εξασθενητή παλµών (ΠΕΠ).
δεδοµένα που παίρνουµε στην έξοδο της µονάδας φαίνονται στα Σχήµατα
3.16(α) έως 3-16(κα). Παρατηρούµε ότι η µονάδα δίνει αρκετά καλούς
τετραγωνικούς παλµούς µε πλάτος παλµών από 0.4Volt ως 1.8Volt και
χρονικής διάρκειας από 5nsec έως 15nsec. Μας ενδιαφέρουν οι παλµοί
εξόδου της µονάδας να είναι τετραγωνικοί, να µην έχουν διακυµάνσεις
(ripple ή spikes) και να είναι πάντα θετικοί. Τονίζουµε ότι η µονάδας ΠΕΠ
έχει τη δυνατότητα να δώσει και παλµούς πλάτους κάτω των 0.4Volt.
Στους παλµούς όµως αυτούς, εµφανίζεται έντονο το φαινόµενο των
διακυµάνσεων. Οµοίως, µπορεί να δώσει και παλµούς πλάτους από
1.8Volt µέχρι και 2Volt µε το µειονέκτηµα ότι αυξάνεται ο χρόνος καθόδου
των τετραγωνικό παλµών και εποµένως και το σχήµα τους. Σύµφωνα
όµως µε την παράγραφο 2.5 οι παλµοί που απαιτούνται για την οδήγηση
του οδηγού του Laser είναι τετραγωνικοί παλµοί µε πλάτη γύρω στα
0.84Volt και χρονικής διάρκειας 5nsec, ανάλογοι µε αυτοί του Σχήµατος
16(ιβ). Η µονάδα ΠΕΠ για το εύρος των παλµών αυτών ανταποκρίνεται
αρκετά καλά και σύµφωνα µε τις προδιαγραφές λειτουργίας του οδηγού
Laser.
Τονίζουµε ότι η µονάδα δοκιµάστηκε και για παλµούς σκανδαλισµού
τύπου TTL, αλλάζοντας την θέση του jumper από παλµούς σκανδαλισµού
LVDS σε παλµούς σκανδαλισµού TTL (Σχήµα 3.8). Και για αυτή την
περίπτωση οι παλµοί εξόδου της µονάδας ήταν ίδιοι µε αυτούς του
Σχήµατος 3.16.
(α) Παλµός 1.8V, 7.5nsec (β) Παλµός 1.8V,10nsec
Σελίδα 44 από 100
45. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. Ανάπτυξη και κατασκευή µονάδας προγραµµατιζόµενου
εξασθενητή παλµών (ΠΕΠ).
(γ) Παλµός 1.8V, 12.5nsec (δ) Παλµός 1.13V, 5nsec
(ε) Παλµός 1.13V, 7.5nsec (στ) Παλµός 1.13V, 10nsec
(ζ) Παλµός 1.13V, 12.5nsec (η) Παλµός 0.96V, 5nsec
Σελίδα 45 από 100
46. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. Ανάπτυξη και κατασκευή µονάδας προγραµµατιζόµενου
εξασθενητή παλµών (ΠΕΠ).
(θ) Παλµός 0.96V, 7.5nsec (ι) Παλµός 0.96V, 10nsec
(ια) Παλµός 0.96V, 12.5nsec (ιβ) Παλµός 0.84V, 5nsec
(ιγ) Παλµός 0.84V, 7.5nsec (ιδ) Παλµός 0.84V, 10nsec
Σελίδα 46 από 100
47. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. Ανάπτυξη και κατασκευή µονάδας προγραµµατιζόµενου
εξασθενητή παλµών (ΠΕΠ).
(ιε) Παλµός 0.84V, 12.5nsec (ιζ) Παλµός 0.84V, 15nsec
(ιη) Παλµός 0.6V, 5nsec (ιθ) Παλµός 0.6V, 7.5nsec
(κ) Παλµός 0.6V, 10nsec (κα) Παλµός 0.4V, 5nsec
ΣΧΗΜΑ 3.16: Παραγωγή διαφόρων παλµών στην έξοδο της µονάδας.
Σελίδα 47 από 100
48. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. Μονάδα ελεγκτή Ι2C και τροφοδοτικού 0/+5V
4. ΜΟΝΑ∆Α ΕΛΕΓΚΤΗ Ι2C ΚΑΙ ΤΡΟΦΟ∆ΟΤΙΚΟΥ 0/+5V.
Για τις ανάγκες της εργασίας αυτής κρίθηκε αναγκαία η κατασκευή µιας
επιπλέον µονάδας η οποία ενσωµατώνει τη δυνατότητα επικοινωνίας µε
άλλες ηλεκτρονικές µονάδες, µέσω του διαύλου Ι2C (I2C-bus) [26],[27] και
παρέχει επιπρόσθετα τη δυνατότητα τροφοδοσίας 0/+5V για τη λειτουργία
των ψηφιακών κυκλωµάτων του προγραµµατιζόµενου εξασθενητή
παλµών.
Ο µικροελεγκτής της συσκευής και γενικότερα όλη η συσκευή, έχει το
ρόλο του master στο δίαυλο Ι2C. Μέσου του διαύλου I2C, έχουµε τον
έλεγχο του προγραµµατιζόµενου εξασθενητή παλµών, και µπορούµε να
ρυθµίσουµε το πλάτος του παλµού που θα οδηγήσει το Laser. Παράλληλα,
η επικοινωνία Ι2C προβλέπεται να χρησιµοποιηθεί και στο τελικό
ολοκληρωµένο σύστηµα όπου θα τοποθετηθούν πάνω στην κινητή
τράπεζα οι ανιχνευτικές µικροµονάδες πυριτίου µε το FE chip. Ο έλεγχος
των παραµέτρων λειτουργίας του FE chip θα υλοποιείται µέσω της
επικοινωνίας Ι2C. Ο προγραµµατιζόµενος εξασθενητής παλµών, το FE
Chip καθώς και άλλες µονάδες που πιθανόν να συνδέονται πάνω στο
δίαυλο I2C θα εµφανίζονται ως slaves. (Σχήµα 4.1).
ΣΧΗΜΑ 4.1: Τρόπος σύνδεσης PC, Ελεγκτή I2C και άλλων µονάδων.
Σελίδα 48 από 100
