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Praktikum SignalverarbeitungJ. PochodzallaS. Bleser, M. Gomez, L. Nungesser, T. Saito, A. Sanchez, F. SchulzWS 2010/2011 Versuch 2 18.11.2010Aufbau einer Messkette für den Nachweis kleinster LadungsmengenI. Ziel des Versuches.Ladungsempfindlicher Verstärker, Signalformung, HalbleiterdetektorenII. Vorkenntnisse.Halbleitermaterialien, Bändermodell, Dotierung von Halbleitern, pn-Übergang, Betrieb einerDiode als Halbleiterdetektor, Operationsverstärker und OP-Schaltungen, α-StrahlungIII. Grundlagen.Eine Anleitung wird während des Praktikums gegeben.IV. Experimente.Die elektronische Signalverarbeitung für den Nachweis der Energiedeposition von Teilchen oderStrahlung in einem Detektor ist in der folgenden Abbildung dargestellt:Die während eines kurzen Zeitintervalls in dem Detektor (PIN-Diode) erzeugte Ladung Q 0 wirdmit Hilfe des Integrators in ein Spannungssignal umgewandelt, weiter verstärkt (invertierendeVerstärker) und zeitlich geformt (Shaper).Am heutigen Versuchstag soll der Detektor und der Verstärker in Betrieb genommen werdenund die von dem vorangegangenen Versuchstag aufgebaute Datenaufnahme und Analyseverwendet werden.Sie erhalten zunächst eine kurze Anleitung zu diesem Praktikum1. Betrieb des ladungsempfindlichen Vorverstärkers mit Testimpulsen.a. Versuchen Sie die Bauteile in dem Verstärker mit Hilfe des Schaltplanes zuidentifizieren.b. Die Operationsverstärker des ladungsempfindlichen Vorverstärkers (im folgenden VV)werden mit einer symmetrischen Spannung von +15V und -15 V betrieben. ErzeugenSie diese Spannung mit dem Labornetzgerät und überprüfen Sie die Einstellung mitdem Multimeter. Alle Spannungen des Labornetzgerätes können mit dem Knopf„OUTPUT ON“ ausgeschaltet werden ohne das Gerät ganz auszuschalten. VerwendenSie verschieden farbige Bananenkabel (rot +15V, blau -15V, schwarz 0V (Erde)) undschließen Sie den VV an. Zunächst soll noch kein Detektor (PIN-Diode) angeschlossenwerden. Die Buchse für die Betriebsspannung der Diode (Bias) ist deshalb mit 50 Ωabzuschließen.

c. Geben Sie einen Rechteckimpuls mit einer Wiederholfrequenz von 100 Hz, einerAmplitude von 50 mV und einer Impulsbreite von 1 ms an den Testeingang (Test) desVV. Beobachten Sie das Signal am Integrator (Int. Out) und am Ausgang des VV(Output). Sie können sich die Signale auch an den Testpunkten mit dem Tastkopfansehen. Nehmen Sie ein Bild mit beiden Signalen vom Oszillographen auf.Bild hier einfügen:Stimmt Ihre Erwartung der Anstiegszeit? Vergleichen Sie die Signalformen und dieZeitkonstanten τ = R*C mit denen aus ihren Übungsaufgaben zur VorlesungSignalverarbeitung (Nummer wird noch bekannt gegeben).Antwort:d. Modifizieren Sie die Verstärkung durch den Potentiometer P1 und beobachten Sie dasAusgangssignal.Beobachtung:Tragen Sie zu vier mit dem Multimeter nachgemessenen Widerstandswerten von P1 diezugehörigen Impulshöhen in die Tabelle ein.Widerstand R P1Impulshöhe V maxe. Modifizieren Sie die Zeitkonstante τ des Shapers durch Austausch der Kondensatorenund Widerstände. Messen Sie die Widerstandswerte vorher mit dem Multimeter aus undbestätigen Sie diese anhand einer Farbtabelle. Tragen Sie die Impulshöhe und diezeitliche Halbwertsbreite für die beiden Zeitkonstanten in die Tabelle ein.WiderstandRImpulshöheV maxFWHMRauschspannungV rms12Nehmen Sie für die zweite Zeitkonstante ebenfalls ein Bild vom Oszillographen auf.Bild hier einfügen:f. Schalten Sie den Ausgang des Signalgenerators ab (Channel On), messen Sie diegemittelte Rauschspannung mit der „rms“-Funktion des Oszillographen für beideZeitkonstanten und tragen Sie sie in die Tabelle oben ein.

2. Impulshöhenspektrum einer α-Quellea. Schließen Sie den Detektor (offene pin-Diode) an den Eingang (Input) des VV an undmessen Sie erneut die Rauschspannung. Der Detektor sollte dazu mit einem schwarzenIsolierband verschlossen werden. Warum?Antwort:Rauschspannung V rms =b. Legen Sie an den Detektor eine Spannung von -20V an (Bias) und beobachten Sie dasRauschsignal.Notieren Sie sich die Veränderung:Rauschspannung V rms =c. Öffnen Sie die schwarze Abdeckung am Detektor und beobachten Sie die Signale anden verschiedenen Testpunkten. Worin liegt der Vorteil der Filterung der Signale durchden Shaper?Antwort:d. Halten Sie die α-Quelle direkt vor den Detektor und schauen Sie sich wieder dieSignale an den verschiedenen Testpunkten an. Welche Unterschiede ergeben sich zuvorher? Welchen weiteren Vorteil bringt der Shaper bei hohen Zählraten?Antwort:Nehmen Sie ein Bild vom Oszillographen auf.Bild hier einfügen:e. Messen Sie die Impulshöhe als Funktion des Abstandes zwischen Quelle und Detektorund tragen Sie die Werte in die Tabelle ein.Abstand Quelle-Detektor a [cm] 0 0,5 1 2 3Impulshöhe V maxAb welchem Abstand können Sie keine α-Teilchen mehr nachweisen?Antwort:f. Bestimmen Sie das Signal zu Rauschverhältnis mit dem Oszillographen, d.h.vergleichen Sie die maximale Spannung der Impulse mit der Rauschspannung. WelcheEnergien könnten Sie mit der Anordnung noch nachweisen? (Hinweis: die Energie derα-Teilchen beträgt ca. 5 MeV).Antwort:

g. Halten Sie die α-Quelle direkt vor den Detektor. Lesen Sie 100 Impulse mit demProgramm ReadWaves vom Oszillographen in den Laptop ein und speichern Sie denDatensatz ab. Wiederholen Sie den Versuch in einem größeren Abstand a zwischenQuelle und Detektor (ca. 2cm).h. Die erzeugten Datensätze können in „root“ mit dem Makro ReadData_source.Ceingelesen werden. Dieses Makro passt an die Datensätze die Funktion:f x= A⋅x−x 0 ⋅e −x−x 0⋅an wobei A , x 0 und die Anpassungsparameter sind.i. Erzeugen Sie Histogramme der Amplituden A mit dem Makro HistoData_source.C.Dazu wird immer der Datensatz fitting_output.txt, der vorher mit dem MakroReadData_source.C erzeugt wurde, als Parameter übergeben.Bilder hier einfügen: