Publication: Acquisition Systems and State-Of-Art Radiation Detectors for Basic Nuclear Physics and Medical Imaging
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Publication Date
2021-05-20
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Universidad Complutense de Madrid
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Abstract
Current experimental nuclear physics requires the continuous development of new detection and analysis systems, whose characteristics and properties surpass those already existing. These systems are not only useful in experimental nuclear physics, but they are of interest in any field where nuclear radiation detector is required, such as nuclear medicine and radiotherapy, where imaging and monitoring techniques are in continuous evolution and development.
The main goal of this thesis is to explore electronics for data acquisition (DAQ) to be used in these experiments, taken from the digital domain. Indeed, we study techniques based on the digitization of the signal from the different detectors analyzed in this work. The main advantage of digitizing these signals is that by doing so, we have a complete control over the processing and analysis of the signal, without the need for specific analog electronics. In this thesis, the digitization of signals has been covered from two different angles:
1. Digitizing the detector signals with high precision, using a high speed digitizer with a sampling speed fulfilling the Nyquist criteria and thus recording the full bandwidth of the signal, into a large number of bits (>12 bits) of resolution for the sampled signals. By doing this we obtain a signal which contains all the information in the original analog pulses. Once the data are digitized, highly complex processing algorithms can be tested that are difficult to reproduce with conventional analog electronics. With this methodology, we show that, using a sufficiently powerful digitizer and processing algorithms, the state of the art results based in the conventional analysis of analog pulse shaping can be easily matched or even surpassed.
2. The other division of DAQ focuses towards inexpensive, very compact, very versatile digital oscilloscopes. We have designed digital DAQ (DDAQ) where we have shown that with the right signal processing algorithms, even with less resolution and limited sampling, these systems can be an economical alternative to much more complex acquisition systems. They also exhibit a performance that perfectly suits the requirements of the experimental activities of our group...
En la actualidad, en física nuclear experimental es de gran importancia el desarrollo continuo de nuevos sistemas de detección y análisis, cuyas características y propiedades superen a los ya existentes. La aplicación de estos sistemas no se restringe a la física experimental, sino que pueden ser aplicados en cualquier ámbito en que sea necesario medir radiación nuclear, como en medicina nuclear y radioterapia, donde las técnicas de imagen y monitorización, que están en continua evolución y desarrollo, precisan de unos sistemas de detección cada vez más precisos y económicos. El objetivo principal de esta tesis radica en la exploración de alternativas puramente digitales para la electrónica de adquisición (DAQ). Para ello hemos trabajado con técnicas basadas en la digitalización de la señal proporcionada por los distintos detectores analizados en este trabajo. La principal ventaja de digitalizar estas señales es que nos proporciona un control completo sobre el procesado y análisis de la misma, con gran versatilidad, sin necesidad de una electrónica específica para cada necesidad y que puede ser mucho más compleja. En el trabajo realizado en esta tesis, la digitalización de las señales se ha estudiado en dos vertientes distintas: • Digitalizando las señales del detector con una alta precisión, es decir, un muestreo que cumple el criterio de Nyquist para representar todas las frecuencias de la señal, y con alta resolución (> 12 bits) en la discretización de los valores de las muestras. Haciendo esto obtenemos una réplica digital de la señal analógica sin perder ni un ápice de información: Sobre los datos digitalizados se pueden probar formas de procesado de una alta complejidad que difícilmente son reproducibles con electrónica analógica convencional. Con esta metodología, demostráremos que con un digitalizador suficientemente potente, el estado del arte del análisis analógico de pulsos puede ser fácilmente igualado o incluso superado por el procesamiento digital. • El desarrollo de un DAQ digital barato, flexible y compacto, basado en osciloscopios digitales con prestaciones más básicas, tanto por número de muestras como por capacidad de muestreo. Hemos podido demostrar que con el procesado de señal adecuado, pueden ser una alternativa económica a sistemas de adquisición mucho más complejos, con un rendimiento que cumple perfectamente con los requisitos de los experimentos donde han sido probados...
En la actualidad, en física nuclear experimental es de gran importancia el desarrollo continuo de nuevos sistemas de detección y análisis, cuyas características y propiedades superen a los ya existentes. La aplicación de estos sistemas no se restringe a la física experimental, sino que pueden ser aplicados en cualquier ámbito en que sea necesario medir radiación nuclear, como en medicina nuclear y radioterapia, donde las técnicas de imagen y monitorización, que están en continua evolución y desarrollo, precisan de unos sistemas de detección cada vez más precisos y económicos. El objetivo principal de esta tesis radica en la exploración de alternativas puramente digitales para la electrónica de adquisición (DAQ). Para ello hemos trabajado con técnicas basadas en la digitalización de la señal proporcionada por los distintos detectores analizados en este trabajo. La principal ventaja de digitalizar estas señales es que nos proporciona un control completo sobre el procesado y análisis de la misma, con gran versatilidad, sin necesidad de una electrónica específica para cada necesidad y que puede ser mucho más compleja. En el trabajo realizado en esta tesis, la digitalización de las señales se ha estudiado en dos vertientes distintas: • Digitalizando las señales del detector con una alta precisión, es decir, un muestreo que cumple el criterio de Nyquist para representar todas las frecuencias de la señal, y con alta resolución (> 12 bits) en la discretización de los valores de las muestras. Haciendo esto obtenemos una réplica digital de la señal analógica sin perder ni un ápice de información: Sobre los datos digitalizados se pueden probar formas de procesado de una alta complejidad que difícilmente son reproducibles con electrónica analógica convencional. Con esta metodología, demostráremos que con un digitalizador suficientemente potente, el estado del arte del análisis analógico de pulsos puede ser fácilmente igualado o incluso superado por el procesamiento digital. • El desarrollo de un DAQ digital barato, flexible y compacto, basado en osciloscopios digitales con prestaciones más básicas, tanto por número de muestras como por capacidad de muestreo. Hemos podido demostrar que con el procesado de señal adecuado, pueden ser una alternativa económica a sistemas de adquisición mucho más complejos, con un rendimiento que cumple perfectamente con los requisitos de los experimentos donde han sido probados...
Description
Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Ciencias Físicas, leída el 15/01/2021