Tradicionalmente, los sistemas front-end para detectores de partículas en aplicaciones de física
nuclear se han realizado mediante bloques analógicos discretos. La interconexión de los mismos
dentro de la cadena de instrumentación electrónica permite extraer la información de interés, que en
la mayoría de aplicaciones, son la energía de las partículas y el instante de llegada de las mismas. En
otros casos, también resulta necesario identificar el tipo de partícula que ha impactado en el sistema
de detección. Las nuevas instalaciones de haces radiactivos que se van a construir en Europa en los
dos próximas décadas constituyen un desafío para el desarrollo de una nueva generación de sistemas
de detección de partículas cuyos esfuerzos deben estar enfocados hacia los sensores
semiconductores, la electrónica de acondicionamiento y los sistemas de control.
Esta tesis presenta un doble enfoque: por un lado, se centra en desarrollar bloques analógicos
discretos claves en sistemas front-end que acondicionan las señales procedentes de detectores
semiconductores, y que sean capaces de satisfacer los exigentes requisitos de velocidad, linealidad,
resolución y precisión. Por otro lado, en el dominio digital se ha desarrollado una nueva técnica para
identificar partículas.
En la tesis se propone un nuevo amplificador sensible a la carga que presenta la salida de carga
convencional para medir la energía depositada por las partículas en el detector, y también una salida
de corriente o temporización que mantiene la forma del pulso, y que se puede utilizar para la
identificación de partículas mejorando otros métodos convencionales basados en la medida del
tiempo de subida de la señal de carga. El preamplificador ha sido diseñado con reducidas
dimensiones y bajo consumo de potencia.
En segundo lugar se ha diseñado un shaper unipolar casi-gausiano basado en la utilización de un
filtro activo RC con polos complejos. El circuito presenta un nuevo esquema del circuito de
restauración de la línea de base de los pulsos, e incorpora un sistema de control remoto de sus
principales parámetros de funcionamiento para facilitar la realización de experimentos en tiempo real.
Finalmente, dentro de la parte analógica de un sistema front-end, también se ha implementado
un discriminador de fracción constante adecuado para medir el tiempo de vuelo de las partículas que
inciden en los detectores que alcanza elevadas resoluciones del orden de 500 ps para un amplio
rango dinámico.
Por otro lado, el desarrollo de las nuevas tecnologías hace atractivo la incorporación de
técnicas de procesamiento digital en este campo de investigación permitiendo una simplificación de
la electrónica y un mayor grado de flexibilidad. En esta línea, se propone una nueva técnica de
identificación de iones mediantes el análisis de la forma de los pulsos utilizando redes neuronales
artificiales implementadas en una FPGA. El diseño de dicha red ha sido realizada mediante un modelo
configurable VHDL para una mejor adaptación a las características de un experimento en particular.
Los diseños de esta tesis están orientados a detectores de silicio que son utilizados en sistemas de
detección de partículas cargadas para aplicaciones de espectroscopia.
Traditionally, front-end systems for particle detectors in nuclear physics applications were made
with discrete analog blocks. The interconnecting of these blocks in the chain of electronic
instrumentation allows extracting the relevant information, which in most applications, are the energy of
the particles and the time of arrival. In other cases, also it is necessary to identify the type of particle
which has impacted on the detection system. The new radioactive beam facilities that will be built in
Europe in the next two decades are a challenge for the development of a new generation of particle
detection systems and the efforts must be focused on semiconductor sensors, conditioning electronics
and control systems.
This thesis presents a dual approach: first, it focuses on developing discrete analog blocks for
front-end systems that conditioning the signals from semiconductor detectors, and that they are able to
meet the demanding requirements of speed, linearity, resolution and accuracy. Furthermore, in the
digital domain has been developed a new technique for identifying of particles.
The thesis proposes a new charged sensitive amplifier that exhibits the conventional charge
output to measure the energy deposited by the particles on the detector, and also a current output or
timing output that keeps the pulse shape, and can be used for identification of particles improving
conventional methods relying on measuring the rise time of the charge signal. The preamplifier is
designed with small size and low power consumption.
Secondly we have designed a near-Gaussian unipolar shaper based on the use of an RC active
filter with complex poles. The circuit presents a new base line restorer for the pulses and includes a
remote control system of the main parameters to facilitate the realization of real-time experiments.
Finally, into the analog part of the front-end system, has also implemented a constant fraction
discriminator suitable for measuring the flight time of the particles reaching high resolutions on the order
of 500 ps for a wide dynamic range.
Furthermore, the development of the modern technologies makes attractive the use of digital
processing techniques in this field of research allowing a simplification of the electronics and a higher
flexibility. In this way, we propose a new identification technique of ions by means of the analysis of the
shape of the pulses using artificial neural networks implemented in an FPGA. The design of the network
has been performed using a configurable VHDL model for a better adaptation to the characteristics of
a particular experiment.
The designs of the thesis are focused on silicon detectors that are used in detection systems of charged
particles for spectroscopy applications.