3. Procesamiento de señales, reducción del ruido y circuitos lineales
Profesor: Marco A. Ayala Torres
ayalatorresm@gmail.com
Curso: Electrónica análoga y digital para detectores de partículas
Carrera: Ingeniería Física
UNIVERSIDAD ANDRÉS BELLO
02/Septiembre/2025
Marco Ayala
Contenido
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Introducción
Fundamentos de la electrónica nuclear y las principales fuentes de ruido cuando se trabaja con señales pequeñas en detectores de partículas.
Se discutirán dos maneras de medir señales: el modo corriente, que ignora la naturaleza de pulso de la señal, y el modo de pulso, que aprovecha la información de tiempo y amplitud presente en la señal.
Las técnicas de cuenta de pulsos y de coincidencias. Haremos hincapié en el reto que supone distinguir las señales del ruido, y analizaremos algunas fuentes de ruido reducibles, como el ruido causado por dispositivos externos o por la propia electrónica.
La electrónica nuclear es una tecnología difícil de dominar debido a que el ruido debe mantenerse bajo control. Para ello se utilizan jaulas de Faraday, que son cajas hechas de conductores como el cobre. Las líneas que entran en la jaula de Faraday deben protegerse con métodos como filtros de ruido, líneas de salida diferenciales y grandes capacitancias. Otras fuentes de ruido, como el ruido térmico y el ruido de disparo (triggers), nunca pueden eliminarse por completo.
La teoría de señales se utiliza para cuantificar el ruido electrónico y comprender las impedancias de entrada y salida de los circuitos. Los circuitos lineales son un concepto importante para lograr relaciones señal-ruido óptimas.
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Detector en electrónica nuclear
Un detector en electrónica nuclear es siempre un dispositivo con una gran resistencia (R>>0).
La interacción de la radiación ionizante induce una pequeña corriente eléctrica. Desde el punto de vista eléctrico, un detector es una fuente de corriente con una gran resistencia interna y una pequeña capacitancia. Además, en ausencia de radiación ionizante existe una pequeña corriente, denominada corriente oscura.
En muchos detectores, la amplitud de los pulsos es proporcional a la señal de carga inicial y el tiempo de llegada del pulso es un tiempo determinado después del suceso físico. Utilizando umbrales adecuados, se pueden seleccionar y contar sólo los pulsos que se desean contar. A menudo, los "sucesos buenos" se caracterizan por una amplitud de señal específica o por la presencia simultánea de dos (o más) señales en detectores diferentes. A veces, los "sucesos buenos" también se caracterizan por la ausencia de alguna otra señal.
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Cuenta de pulsos
La electrónica tiene un umbral que debe estar muy por encima del ruido presente en la señal. Si la señal es inferior al umbral, la salida del circuito es "cero". En cuanto el nivel de la señal supera el umbral, la salida del circuito es "uno". Las palabras "cero" y "uno" no deben entenderse como cero volts y un volt, sino más bien como niveles de voltaje que tienen el significado de "cero" y "uno" respectivamente. El número de eventos se puede obtener ahora con algún circuito de conteo sencillo.
En este proceso, hay que tener en cuenta que la configuración puede ser ineficiente:
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Cuenta de pulsos
La electrónica tiene un umbral que debe estar muy por encima del ruido presente en la señal. Si la señal es inferior al umbral, la salida del circuito es "cero". En cuanto el nivel de la señal supera el umbral, la salida del circuito es "uno". Las palabras "cero" y "uno" no deben entenderse como cero volts y un volt, sino más bien como niveles de voltaje que tienen el significado de "cero" y "uno" respectivamente. El número de eventos se puede obtener ahora con algún circuito de conteo sencillo.
En este proceso, hay que tener en cuenta que la configuración puede ser ineficiente:
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Cuenta de pulsos
Para obtener un espectro de la altura del pulso, la electrónica busca el máximo de la señal en una ventana predefinida alrededor del pulso y el valor de este máximo se digitaliza y se envía a un ordenador. El ordenador almacena los valores de los máximos de un gran número de pulsos y muestra el resultado en forma de histograma. Para ver si un suceso se ha producido simultáneamente con otro, la electrónica buscará la presencia simultánea de dos señales lógicas dentro de una ventana temporal. En el recuento de coincidencias, debe tenerse en cuenta la posibilidad de que se produzcan coincidencias aleatorias. Estas son ocurrencias de una coincidencia causada por dos eventos no relacionados que llegan por casualidad al mismo tiempo. Es fácil comprobar que la tasa de coincidencias aleatorias entre dos señales es proporcional a la tasa de cada tipo de señal multiplicada por la duración de la ventana de coincidencia.
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Tiempo muerto del detector
Se trata del tiempo finito que necesita el detector para procesar un suceso, que suele estar relacionado con la duración de la señal de pulso. Dependiendo del tipo, un detector mayor puede no seguir siendo sensible a otros sucesos durante este periodo. Si el detector es insensible, cualquier otro suceso que llegue durante este periodo se perderá. Si el detector conserva su sensibilidad, entonces, estos eventos pueden apilarse (pile-up) sobre el primero resultando en una distorsión de la señal y la subsiguiente pérdida de información de ambos eventos. Estas pérdidas afectan a las tasas de recuento observadas y distorsionan la distribución temporal entre la llegada de los sucesos.
Para evitar grandes efectos de tiempo muerto, la tasa de recuento del detector debe mantenerse lo suficientemente baja como para que la probabilidad de que se produzca un segundo evento durante un periodo de tiempo muerto sea pequeña. El efecto resultante puede entonces corregirse.
Al calcular los efectos del tiempo muerto, debe tenerse en cuenta todo el sistema de detección. Cada elemento de un sistema de detección tiene su propio tiempo muerto y, de hecho, es la mayor parte del efecto. Además, cuando varios elementos tienen tiempos muertos comparables, combinar los efectos es también una tarea difícil y no existe un método general para resolver estos problemas.
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Circuito lineal
Es aquel donde podemos aplicar el principio de superposición. En otras palabras:
Si Vout1 es la señal de salida correspondiente a la señal de entrada Vin1
Si Vout2 es la señal de salida correspondiente a la señal de entrada Vin2
Un circuito es lineal si y sólo si se cumple la siguiente propiedad:
Para dos señales de entrada arbitrarias cualesquiera Vin1 y Vin2 , a la señal de entrada Vin1+Vin2 corresponde la señal de salida Vout1 + Vout2.
Los circuitos lineales son importantes por sus sencillas propiedades matemáticas, y se encuentran en redes de resistencias, capacitancias e inductancias. Sin embargo, no todos los circuitos de uso común son lineales (por ejemplo, los que tienen diodos). La linealidad sólo es válida en un determinado rango de amplitudes de señal, y debe respetarse.
Veremos los conceptos:
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Contacto:
Marco A. Ayala Torres
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