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Bachelorarbeit Elektrotechnik: Entwicklung einer FPGAbasierten Datenerfassungskarte für einen Neutronendetektor

Den Neutronen auf der Spur

In der Materialforschung spielt die Neutronendetektion eine wichtige Rolle, wenn es darum geht, den inneren Aufbau von Materialien zu untersuchen. Dieses Vorgehen ist allerdings recht kostenintensiv. Elektrotechnik-Absolvent Alexey Gromov hat deshalb ein neues und günstigeres System für die Neutronendetektion entwickelt.

Um den inneren Aufbau unterschiedlicher Materialien analysieren zu können, führt das Paul Scherrer Institut (PSI) Neutronen-Streuexperimente durch. Dabei wird ein entsprechendes Probenstück mit Neutronen bestrahlt. Durch die Analyse der räumlichen und zeitlichen Verteilung der Neutronen nach der Streuung am Probestück können die internen Strukturmerkmale bestimmt werden. Für diese Streuexperimente hat man bisher sogenannte Helium-3-Gasdetektoren eingesetzt. Der Nachteil: Helium-3 ist ein teures Spezialgas. Die jüngsten Entwicklungen bringen Szintillatoren und Silizium-Photomultiplier (SiPM) als Alternative ins Spiel. Unter einem SiPM versteht man eine spezielle Ansammlung von Photodioden mit dem Zweck, schwache Lichtsignale via Ladungstrennung und mittels Verstärkung als elektrisches Signal nachweisbar zu machen. Diese SiPMs erlauben es nun, Neutronen mittels speziellen Szintillator-Materialien, d.h. über Lichtimpulse, zu detektieren. Diese physikalischen Voraussetzungen bilden die Grundlage für die Bachelorarbeit, welche Elektrotechnik-Absolvent Alexey Gromov für das PSI erstellt hat.

Methode mit Lichtimpulsen

Im Rahmen seiner Bachelorarbeit hat Alexey Gromov ein FPGA-basiertes System für die Neutronendetektion mittels Szintillatoren umgesetzt. FPGA steht für Field Programmable Gate Array, was sinngemäss heisst, dass ein integrierter Schaltkreis im Feld – also vor Ort bzw. beim Kunden – programmiert werden kann. FPGAs werden in allen Bereichen der Digitaltechnik eingesetzt, vor allem aber dort, wo es auf schnelle Signalverarbeitung und flexible Änderung der Schaltung ankommt. Im vorliegenden System werden die Eingangssignale von einem 16-kanaligen Neutronendetektionsmodul des PSI generiert. «Das Detektionsverfahren nutzt die Eigenschaft der Szintillatoren, einen Teil der Energie der nachzuweisenden Teilchen in Photonen zu transformieren. Diese werden durch einen Lichtwellenleiter auf die SiPMs geführt», erklärt Alexey Gromov. «Die Kombination von Szintillatoren und SiPMs reagiert auf ein Neutronenereignis mit einer schnellen, zeitlich abklingenden Pulsfolge.»

«Als Resultat konnte Alexey Gromov in seiner Bachelorarbeit verifizieren, dass es möglich ist, Neutronenereignisse mittels Szintillatoren zu detektieren.»

Matthias Rosenthal

Detektion der Pulsfolgen

Um die zeitliche Struktur der Pulsfolge abbilden zu können, werden im FPGA die digitalisierten Pulse in periodischen Zeitabständen gezählt und abgespeichert. Diese digitalisierte Pulsfolge ist aufgrund von Störfaktoren und Unregelmässigkeiten detailliert zu analysieren. Um diese Problematik zu lösen, wurden Filteralgorithmen im FPGA implementiert, welche die Analyse der Pulsfolgen ermöglichen. «Das Einlesen und Analysieren der Pulsfolge wird deterministisch durchgeführt, um Fehler in der Zeitmessung zu vermeiden. Dies bedeutet für das System, dass jedes Ereignis während der Analyse um eine konstante Zeit verzögert wird. Dadurch wird erreicht, dass der Zeitpunkt des Eintreffens eines Neutrons zurückgerechnet werden kann, und das im Bereich von weniger als einer millionstel Sekunde», so Alexey Gromov. «Im FPGA habe ich einen Kontroller-Block implementiert, welcher es ermöglicht, die Parameter des Detektions- und Analyseverfahrens zu konfigurieren.» Für die Verbindung zum Host-System hat Alexey Gromov eine universell einsetzbare Kommunikationskarte entwickelt. Auf der Frontseite dieser Karte können vier optische Gigabit-Links und vier Standard-IOs betrieben werden. Die Rückseite des Boards wurde modular für verschiedene Projekte aufgebaut.

Feldtest folgt

«Als Resultat konnte Alexey Gromov in seiner Bachelorarbeit verifizieren, dass es möglich ist, Neutronenereignisse mittels Szintillatoren zu detektieren», so Dozent Matthias Rosenthal, der die Arbeit betreut hat. «Das heisst für das PSI, dass eine neue kostengünstige Alternative zur Helium-3-Gasdetektion vorliegt.» Für diese neue Methode soll nun am PSI in einem nächsten Schritt der Feldtest anlaufen.

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