Conceptual Design and Setup of a Fully Digital Recording Apparatus for the Application in Perturbed Angular Correlation Spectroscopy

Herden, Christian

Gestörte Winkelkorrelationsspektroskopie ist eine Hyperfine-Wechselwirkungsmethode, die Informationen über die Umgebung einer radioaktiven Sonde sammelt. Die Methode basiert auf der Messung der anisotropen Korrelation zwischen den Emissionsrichtungen zweier Gammaquanten während des Zerfalls des radioaktiven Atomkerns. Sie bedient sich dabei der gelieferten Informationen von Photomultipliern, welche um die Probe plaziert sind. Die Lebensdauern der isomeren Zwischniveaus sind in der Regel sehr kurz. Daher ist eine Auflage an das Messsytem, koinzidierende Ereignisse mit einer Auflösung unterhalb einer Nanosekunde messen zu können. Um den Ansprüchen der Methode der Gestörten Winkelkorrelation bezüglich der Zeit- und Energiebestimmung zu entsprechen, wurde ein System mit digitalsignalverarbeitenden Komponenten entwickelt. Jeder Kanal besitzt eine eigene programmierbare Signalverarbeitungskarte in einem handelsüblichen Computer. Das gleichrangige Design lässt eine Erweiterung auf eine beliebige Kanalanzahl zu. Die Signale der Photomultiplier werden digitalisiert, und die Energie- und Zeitinformationen auf einem Speichermedium für die spätere Auswertung zwischengespeichert. Dank der schnellen Digitizer besitzt dieses volldigitale Aufnahmesystem eine mittlere Auflösung von rund 400 Picosekunden. Das neue System hat im Vergleich zu konventionellen Apparaturen Vorzüge bezüglich des Probeneinsatzes und der Kalibrierung. Es gibt keine Performanceeinbußen und viele experimentelle Probleme, die auf die Elektronik zurückzuführen sind, wurden eliminiert. Die Aufnahmezyklen des Spektrometers werden von Softwareapplikationen gesteuert, und bieten somit eine grosse Flexibilität in einem rekonfigurierbarem System.

Perturbed Angular Correlaction spectroscopy is a hyperfine interaction method that gathers information regarding the environment of a radioactive probe. The method is based on the measurement of the anisotropic correlation between directions of emissions of two gamma rays during the decay of the radioactive nuclei. It utilizes the information collected by photomultiplier tubes which are placed around the sample. The life times of the intermediate nuclear states are in general very short. Therefore, the detection system is bound to observe coinciding occurences preferably within fractions of a nanoseconds. In order to support the Perturbed Angular Correlaction methods need for Time-of-arrival detection and energy discrimination a versatile system was built using Digital Signal Processing equipment. Each channel uses its own programmable signal processing board in an off-the-shelf computing unit. The peer design of the system allows the expansion to basically any number of channels. The photomultipliers output signal are being processed digitally and the energy and the Time-of-arrival information are placed on a storage medium for later evaluation. This fully digital recording system holds an average time resolution of about 400 picoseconds, thanks to the high-speed acquisition boards that are being utilized in this design. The new system yields to advantages in regard of sample handling and spectrometer calibration with respect to conventional setups. It competes also well in performance and many experimental difficulties related to electronics have been eliminated. The spectrometers acquisition cycles are being controlled by software applications allowing a wide range of flexiblity in an easy reconfigurable system.

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Herden, Christian: Conceptual Design and Setup of a Fully Digital Recording Apparatus for the Application in Perturbed Angular Correlation Spectroscopy. 2008.

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