WO2023051991A1

WO2023051991A1 - Vorrichtung und verfahren zur ermittlung von abtastpunkten eines signalpulses

Info

Publication number: WO2023051991A1
Application number: PCT/EP2022/072783
Authority: WO
Inventors: Christian Grewing; Lioubov Jokhovets; Stefan Prof. Dr. VAN WAASEN
Original assignee: Forschungszentrum Jülich GmbH
Priority date: 2021-10-01
Filing date: 2022-08-15
Publication date: 2023-04-06
Also published as: DE102021211092A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Ankunftszeit eines Signalpulses mit einer Vergleichseinrichtung, die so eingerichtet ist, dass diese den zeitlichen Verlauf eines Signalpulses (V(t)) mit zwei Referenzwerten (V1, V2) vergleicht und die eine Zeitanalyseeinrichtung (TDC) der Vorrichtung triggert, wenn der Signalpuls (V(t)) einen Referenzwert (V1, V2) erreicht, wobei die Zeitanalyseeinrichtung (TDC) so eingerichtet, dass diese die Zeit zwischen dem ersten und dem zweiten Triggern ermittelt, und wobei die Vorrichtung so eingerichtet ist, dass diese mithilfe der ermittelten Zeit und mithilfe der Referenzwerte (V1, V2) eine Ankunftszeit des Signalpulses bestimmt. Auf technisch einfache Weise kann mit der Vorrichtung eine Ankunftszeit eines Signalpulses ermittelt werden. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Ermittlung einer Ankunftszeit.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung von Abtastpunkten eines Signalpulses

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung einer Ankunftszeit eines Signalpulses. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Signalpulse, die durch Elementarteilchen in einem Detektor erzeugt wurden.

Ein Signalpuls im Sinne der vorliegenden Erfindung kann bei physikalischen Experimenten auftreten, bei denen Ereignisse detektiert werden wie zum Beispiel das Eintreten eines Elementarteilchens in einen Detektor. Tritt ein Teilchen in einen Detektor ein, so wird durch den Detektor ein elektrischer Puls und damit ein Messwert erzeugt. Ein solcher elektrischer Puls ist ein Signalpuls im Sinne der vorliegenden Erfindung.

Es kann so ein zeitabhängiges elektrisches Signal entstehen, das eine Mehrzahl von Signalpulsen umfasst. Das elektrische Signal kann digitalisiert werden. Das digitalisierte elektrische Signal kann dann durch eine Signalverarbeitungseinheit verarbeitet werden.

Bei der Signalverarbeitung kann es von Interesse sein, die Ankunftszeit eines Ereignisses und damit die Ankunftszeit des Signalpulses genau ermitteln zu können. Diese geschieht gemäß der aus der Druckschrift WO 2020/109117 A1 bekannten Lehre, indem u. a. zwei Abtastpunkte auf der steigenden Flanke eines digitalisierten Signalpulses ermittelt werden.

Durch die vorliegende Erfindung soll erreicht werden, eine Ankunftszeit eines Signalpulses mit einfachen technischen Mitteln bestimmen zu können.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch eine Vorrichtung gelöst, die die Merkmale des ersten Anspruchs umfasst. Ein Verfahren umfasst zur Lösung der Aufgabe die Merkmale des Nebenanspruchs.

Die Vorrichtung umfasst eine Vergleichseinrichtung, die den zeitlichen Verlauf eines Signalpulses mit zwei Referenzwerten vergleicht. Erreicht der Signalpuls den ersten Referenzwert, so wird eine Zeitanalyseeinrichtung getriggert. Erreicht der Signalpuls den zweiten Referenzwert, so wird die Zeitanalyseeinrichtung erneut getriggert. Die Zeitanalyseeinrichtung ist so eingerichtet, dass diese die Zeit zwischen dem ersten und dem zweiten Triggern ermittelt.

Der erste Referenzwert ist kleiner als der zweite Referenzwert. Dadurch kann ermittelt werden, ob sich eine ermittelte Zeit auf den Anstieg einer Flanke eines Signalpulses bezieht. Mithilfe der Referenzwerte und der ermittelten Zeit kann dann die Ankunftszeit des Signalpulses ermittelt werden.

Bei der Detektion von Ereignissen, die Signalpulse in einem Detektor erzeugen, sind die typischen Amplituden von Signalpulsen bekannt. Daher ist es möglich, Referenzspannungen so auszuwählen, dass diese von einer Flanke eines Signalpulses und zwar insbesondere von einem mittleren Bereich der Flanke eines Signalpulses erreicht werden. Sind die Referenzpunkte geeignet ausgewählt, so kann die Steigung der Flanke bestimmt werden und hieraus ein Nulldurchgang ermittelt werden. Der Nulldurchgang gibt dann die Zeit der Ankunft des Signalpulses wieder.

Die Vorrichtung kann eine Spannungsquelle umfassen, durch die Referenzspannungen bereitgestellt werden können. Die Vorrichtung kann eine Regeleinrichtung umfassen, mit der eine Referenzspannung eingestellt werden kann. Eine Referenzspannung ist dann nicht fest vorgegeben, sondern kann variiert werden. Es kann aber für die Bereitstellung von Referenzspannungen auch eine externe Spannungsquelle verwendet werden.

In einer Ausgestaltung ist die Vergleichseinrichtung so eingerichtet, dass diese den zeitlichen Verlauf eines Signalpulses mit mehr als zwei Referenzwerten, so zum Beispiel mit drei oder vier Referenzwerten, vergleicht. Erreicht der Signalpuls den dritten Referenzwert, so wird die Zeitanalyseeinrichtung getriggert. Erreicht der Signalpuls den ggfs. vorhandenen vierten Referenzwert, so wird die Zeitanalyseeinrichtung erneut getriggert. Entsprechendes gilt für weitere Referenzwerte. Die Zeitanalyseeinrichtung ist so eingerichtet, dass diese die Zeit zwischen dem zweiten und dem dritten Triggern ermittelt. Wird die Zeiterfassung aufgrund eines vierten Referenzwertes ein viertes Mal getriggert, so wird die Zeit zwischen dem dritten und dem vierten Triggern ermittelt, usw..

Der dritte Referenzwert ist größer als der zweite Referenzwert. Ein vierter Referenzwert ist größer als ein dritter Referenzwert, usw..

Die Ermittlung einer Zeit, die vergeht, damit der Signalpuls ausgehend von der zweiten Referenzspannung die dritte Referenzspannung erreicht, kann mittelbar oder unmittelbar erfolgen. Für eine mittelbare Ermittlung wird beispielsweise die Zeit bestimmt, die vergeht, damit der Signalpuls ausgehend von der ersten Referenzspannung die dritte Referenzspannung erreicht. Von diesem Ergebnis kann dann die Zeit abgezogen werden, die benötigt wurde, damit der Signalimpuls ausgehend von der ersten Referenzspannung die zweite Referenzspannung erreicht. Es können auf diese Weise zwei verschiedene Steigungen der ansteigenden Flanke eines Signalpulses ermittelt werden. Aus dem Ergebnis kann dann verbessert auf den Verlauf der ansteigenden Flanke des Signalpulses geschlossen werden. Ist der Verlauf der Flanke verbessert bekannt, so kann verbessert die gesuchte Ankunftszeit bestimmt werden.

Wird ein abfallender Verlauf des Pulssignals ermittelt, dann kann diese Zeit verworfen werden oder aber zur Bestimmung der Form des Signalpulses genutzt werden.

Durch das Vorsehen von mehr als zwei Referenzwerten ist es jedenfalls möglich, einen von einem geradlinigen Verlauf abweichenden Verlauf einer ansteigenden Flanke zu ermitteln. Eine ermittelte Abweichung von einem geradlinigen Verlauf kann dazu benutzt werden, um verbessert die Ankunftszeit eines Signalpulses in der aus der Druckschrift WO 2020/109117 A1 bekannten Weise zu ermitteln. Durch das Vorsehen von mehr als zwei Referenzwerten wird außerdem Risiko geringgehalten, dass Signalpulse nicht erfasst werden, weil Referenzwerte so gewählt worden sind, dass diese nicht auf einer Flanke eines Signalpulses liegen.

So kann bestimmt werden, welche Form die steigende Flanke des Signalpulses aufweist. Die Form kann ausgewählt werden aus einer Gruppe umfassend einen zumindest im Wesentlichen linearen Anstieg sowie einen nichtlinearen Anstieg ohne Wendepunkt. Die Gruppe kann auch eine Form mit einem nichtlinearen Anstieg mit einem Wendepunkt umfassen. Ausgehend von einer so ermittelten Form kann dann auch in Abhängigkeit davon eine Ankunftszeit besonders genau ermittelt werden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vergleichseinrichtung zumindest einen, vorzugsweise wenigstens zwei Komparatoren. Vorzugsweise umfasst die Vergleichseinrichtung für jeden Referenzwert einen Komparator.

Ein Komparator ist eine elektronische Schaltung, die zwei Spannungen vergleicht. Am Ausgang des Komparators steht ein Signal zur Verfügung, das anzeigt, welche der beiden Eingangsspannungen höher ist. Das Signal zeigt damit auch an, wann beide Eingangsspannungen gleich groß sind. Sind die beiden Eingangsspannungen gleich groß, so wird die Zeitanalyseeinrichtung getriggert. Die eine Eingangsspannung bei einem Komparator ist dann eine der Referenzspannungen. Die andere Eingangsspannung, die am Komparator anliegt, ist dann die Spannung, die beispielsweise von einem Detektor erzeugt worden ist.

In einer Ausgestaltung umfasst die Zeitanalyseeinrichtung einen Time-to-Digital Converter (TDC). Ein Time-to-Digital Converter ist ein elektronisches Bauteil, das kurze Zeitintervalle im Nanosekundenbereich messen und in eine digitale Ausgabe umwandeln kann. Ein Time-to-Digital Converter kann also sehr kurze Zeiten auflösen. Die Zeitanalyseeinrichtung kann einen Frequenzzähler umfassen, wenn es nicht auf hohe zeitliche Auflösungen ankommt, wie diese mit einem Time-to-Digital Converter erreicht werden können.

Durch einen Time-to-Digital Converter sowie durch einen Frequenzzähler können Zeiten zwischen zwei Triggersignalen bestimmt werden.

Durch die Erfindung kann mit einfachen technischen Mitteln die Ankunftszeit eines Signalpulses ermittelt werden. Insbesondere ist der technische Aufwand deutlich geringer im Vergleich zu dem technischen Aufwand, der bei der aus der WO 2020/109117 A1 bekannten Lehre aufgewendet werden muss.

Die Erfindung kann auch dazu genutzt werden, um andere Eigenschaften eines Signalpulses zu bestimmen. So kann beispielsweise die Zeit bestimmt werden, bei der der Wendepunkt eines Signalpulses aufgetreten ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert.

Es zeigen

Figur 1 : erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Figur 2: Ermittlung Ankunftszeit TA;

Figur 3 zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Figur 1 zeigt zwei Referenzspannungen V1 und V2, die so gewählt sind, dass diese in einem mittleren Bereich einer ansteigenden Flanke eines Signalpulses liegen. Der Signalpuls ist eine zeitabhängige elektrische Spannung V(t), die Puls förmig verläuft und die durch einen Detektor erzeugt werden kann. In der Figur 1 wird der Puls förmige Anstieg V(t) eines solchen Signalpulses gezeigt. Ein erster Komparator 1 vergleicht die Spannung V(t) mit der Referenzspannung V1. Ein zweiter Komparator 1 vergleicht die Spannung V(t) mit der Referenzspannung V2. Erreicht die Spannung V(t) den Referenzwert V1 , so triggert der Komparator 1 den TDC ein erstes Mal. Erreicht die Spannung V(t) den Referenzwert V2, so triggert der Komparator 2 den TDC ein zweites Mal. Der TDC kann im Nanosekundenbereich und darunter messen. Es wird so eine Zeit ermittelt, der der Signalimpuls gebraucht hat, um ausgehend von der Spannung V1 die Spannung V2 zu erreichen. Der TDC übergibt das Ergebnis an eine elektronische Baugruppe, die einen Assoziativspeicher 3 umfasst. Diese Baugruppe berechnet aus den erhaltenen Werten zunächst die Steigung der ansteigenden Flanke und aus diesem Ergebnis den Nulldurchgang TA (siehe Figur 2). Über einen Kodierer 4 kann das Ergebnis und damit die Ankunftszeit TA des Signalpulses ausgegeben werden.

Beim in der Figur 3 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind vier Referenzspannungen V1, V2, V3 und V4 und vier Komparatoren 1 , 2, 3, 4 vorhanden. Der Komparator 3 vergleicht die Referenzspannung 3 mit der Spannung V(t) des Signalpulses. Sobald der Wert V3 erreicht wird, triggert der Komparator den TDC. Der in der Figur 3 zum Teil gezeigte Signalpuls erreicht den Referenzwert V4 nicht mehr.

Daher wird der TDC nicht ein viertes Mal durch den Komparator 4 getriggert. Aus den so erhaltenen Informationen kann verbessert auf die Form und den Verlauf des Signalpulses geschlossen werden. Es kann so verbessert eine Ankunftszeit ermittelt werden. Wie die Ankunftszeit dann ermittelt werden kann, ist der Druckschrift WO 2020/109117 A1 zu entnehmen.

Claims

6 Ansprüche

1. Vorrichtung zur Bestimmung einer Ankunftszeit eines Signalpulses mit einer Vergleichseinrichtung, die so eingerichtet ist, dass diese den zeitlichen Verlauf eines Signalpulses (V(t)) mit zwei Referenzwerten (V1 , V2) vergleicht und die eine Zeitanalyseeinrichtung (TDC) der Vorrichtung triggert, wenn der Signalpuls (V(t)) einen Referenzwert (V1 , V2) erreicht, wobei die Zeitanalyseeinrichtung (TDC) so eingerichtet, dass diese die Zeit zwischen dem ersten und dem zweiten T riggern ermittelt, und wobei die Vorrichtung so eingerichtet ist, dass diese mithilfe der ermittelten Zeit und mithilfe der Referenzwerte (V1 , V2) eine Ankunftszeit des Signalpulses bestimmt.

2. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Spannungsquelle umfasst, durch die die Referenzspannungen (V1 , V2) bereitgestellt werden können.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese so eingerichtet ist, dass diese den zeitlichen Verlauf eines Signalpulses (V(t)) mit einem dritten Referenzwert (V3) vergleicht und die eine Zeitanalyseeinrichtung (TDC) der Vorrichtung triggert, wenn der Signalpuls (V(t)) den dritten Referenzwert (V1 , V2) erreicht, wobei die Zeitanalyseeinrichtung (TDC) so eingerichtet, dass diese die Zeit zwischen dem zweiten und dem dritten Triggern ermittelt, und wobei die Vorrichtung so eingerichtet ist, dass diese mithilfe der ermittelten Zeit und mithilfe der Referenzwerte (V1 , V2, V3) eine Ankunftszeit (TA) des Signalpulses bestimmt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitanalyseeinrichtung einen Time-to-Digital Converter (TDC) für eine Ermittlung der Zeit zwischen einem ersten und einem zweiten Triggern umfasst.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine elektronische Baugruppe (3, 4) für das Bestimmen einer Ankunftszeit (TA) umfasst.

6. Verfahren für das Bestimmen einer Ankunftszeit mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Detektor ein Puls förmiges elektrisches Signal (V(t)) erzeugt und der zeitlichen Verlauf des Signalpulses (V(t)) mit zwei Referenzwerten (V1 , V2) verglichen wird und die Zeitanalyseeinrichtung 7

(TDC) der Vorrichtung getriggert wird, wenn der Signalpuls (V(t)) einen Referenzwert (V1, V2) erreicht, wobei die Zeitanalyseeinrichtung (TDC) die Zeit zwischen dem ersten und dem zweiten Triggern ermittelt, und wobei mithilfe der ermittelten Zeit und mithilfe der Referenzwerte (V1, V2) eine Ankunftszeit (TA) des Signalpulses bestimmt wird. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor ein Detektor für Elementarteilchen ist.