Module also offered within study programmes:
General information:
Name:
Nuclear Electronics
Course of study:
2016/2017
Code:
JFT-2-026-s
Faculty of:
Physics and Applied Computer Science
Study level:
Second-cycle studies
Specialty:
-
Field of study:
Technical Physics
Semester:
0
Profile of education:
Academic (A)
Lecture language:
Polish
Form and type of study:
Full-time studies
Course homepage:
 
Responsible teacher:
prof. dr hab. inż. Dąbrowski Władysław (w.dabrowski@ftj.agh.edu.pl)
Academic teachers:
prof. dr hab. inż. Dąbrowski Władysław (w.dabrowski@ftj.agh.edu.pl)
dr inż. Wiącek Piotr (wiacek@agh.edu.pl)
Module summary

Description of learning outcomes for module
MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Connections with FLO Method of learning outcomes verification (form of completion)
Social competence
M_K003 Student rozumie znaczenie osiągnięć w dziedzinie elektroniki jądrowej dla rozwoju metod diagnostycznych w medycynie i technice wykorzystujących promieniowanie jonizujące. FT2A_K05 Activity during classes
Skills
M_U009 Student potrafi zaprojektować systemy do pomiaru i oceny parametrów układów elektroniki jądrowej. FT2A_U06, FT2A_U07 Report,
Execution of laboratory classes
M_U010 Student potrafi posługiwać się elektronicznymi przyrządami pomiarowymi, zestawić stanowisko pomiarowe i wykonać pomiary. FT2A_U14, FT2A_U13 Report,
Execution of laboratory classes
Knowledge
M_W009 Student posiada wiedzę na temat układów elektronicznych front-end stosowanych do rejestracji sygnałów z detektorów promieniowania. FT2A_W08, FT2A_W02 Activity during classes,
Examination
M_W010 Student posiada wiedzę na temat elektronicznych układów stosowanych w systemach spektrometrii amplitudowej i czasowej. FT2A_W08, FT2A_W02 Activity during classes,
Examination
M_W011 Student posiada wiedzę na temat efektów radiacyjnych w elementach półprzewodnikowych i skutków tych efektów na działanie systemów odczytu detektorów promieniowania. FT2A_W06, FT2A_W02 Activity during classes,
Examination
FLO matrix in relation to forms of classes
MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Form of classes
Lecture
Audit. classes
Lab. classes
Project classes
Conv. seminar
Seminar classes
Pract. classes
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Others
E-learning
Social competence
M_K003 Student rozumie znaczenie osiągnięć w dziedzinie elektroniki jądrowej dla rozwoju metod diagnostycznych w medycynie i technice wykorzystujących promieniowanie jonizujące. + + + - - - - - - - -
Skills
M_U009 Student potrafi zaprojektować systemy do pomiaru i oceny parametrów układów elektroniki jądrowej. - - + - - - - - - - -
M_U010 Student potrafi posługiwać się elektronicznymi przyrządami pomiarowymi, zestawić stanowisko pomiarowe i wykonać pomiary. - - + - - - - - - - -
Knowledge
M_W009 Student posiada wiedzę na temat układów elektronicznych front-end stosowanych do rejestracji sygnałów z detektorów promieniowania. + + - - - - - - - - -
M_W010 Student posiada wiedzę na temat elektronicznych układów stosowanych w systemach spektrometrii amplitudowej i czasowej. + + - - - - - - - - -
M_W011 Student posiada wiedzę na temat efektów radiacyjnych w elementach półprzewodnikowych i skutków tych efektów na działanie systemów odczytu detektorów promieniowania. + + - - - - - - - - -
Module content
Lectures:

1. Detektory promieniowania jako źródła sygnału elektrycznego
Twierdzenie Ramo. Detektor jako prądowe źródło sygnału. Płaska komora jonizacyjna. Cylindryczna komora jonizacyjna. Licznik proporcjonalny. Detektory półprzewodnikowe. Krzemowe detektory dryfowe. Pojemność detektorów półprzewodnikowych. Impulsy prądowe z detektorów półprzewodnikowych: detektor p-n, detektor p-i-n. Impulsy prądowe z detektorów pozycjoczułych.

2. Szumy w przyrządach półprzewodnikowych i wzmacniaczach
Zjawiska szumowe w przyrządach półprzewodnikowych. Fizyczne źródła szumów: szum termiczny, szum śrutowy, szum generacyjno-rekombinacyjny, szumy 1/f. Szumy w tranzystorach bipolarnych. Szumy w tranzystorach polowych złączowych. Szumy w tranzystorach polowych z izolowaną bramką. Szumowe schematy zastępcze. Ekwiwalentna rezystancja szumowa.

3. Układy elektroniki front-end
Wydzielanie sygnału z detektorów promieniowania: system prądowy – przedwzmacniacz prądowy, system napięciowy – przedwzmacniacz napięciowy, system ładunkowy – przedwzmacniacz ładunkowy. Wydzielanie sygnałów z detektorów pozycjoczułych. Ekwiwalentny ładunek szumów.

4. Fotopowielacze
Budowa i zasada działania fotopowielaczy. Systemy polaryzacji fotopowielaczy. Kanałowe powielacze elektronów. Fotodiody lawinowe. Fotopowielacze krzemowe.

5. Przedwzmacniacz ładunkowy
Analiza szumowa przedwzmacniacza ładunkowego. Przedwzmacniacze ładunkowe z bezrezystywnym sprzężeniem zwrotnym. Optymalizacja przedwzmacniacza z tranzystorem wejściowym typu MOSFET. Optymalizacja przedwzmacniacza z wejściowym tranzystorem bipolarnym.

6. Filtracja szumów i kształtowanie sygnałów
Filtr optymalny. Filtr dopasowany. Parametry filtrów: względny stosunek sygnału do szumu, efektywny czas pomiaru, czas rozdzielczy, czas martwy. Filtr CR-RC. Filtry CR-(RC)n. Filtry (CR)2-(RC)n. Filtry z liniami opóźniającymi: DL-RC, (DL)2-(RC). Filtry typu (DL)2-INT: filtr trójkątny, filtr trapezowy.

7. Zaawansowane systemy spektrometrii amplitudowej.
Efekty drugiego rzędu w zagadnieniach formowania impulsów. Deficyt balistyczny. Układy kompensacji biegun-zero. Efekty spiętrzania impulsów. Układy wykrywania i eliminacji spiętrzeń. Układy przywracania linii bazowej. Detektory szczytu impulsu i układy wydłużające. Bramki liniowe.

8. Binarne systemy odczytu detektorów promieniowania
Dyskryminatory amplitudy. Binarne systemy odczytu detektorów. Zagadnienia szumowe w binarnych systemach odczytu. Pomiar i analiza szumów w binarnych systemach odczytu detektorów. twierdzenie Rice’a, metody parametryzacji układów front-end w binarnych systemach odczytu. Twierdzenie Campbella-Francisa. Mierniki średniej częstości zliczeń.

9. Zaawansowane systemy spektrometrii czasowej
Parametry czasowe dyskryminatorów: czas wędrowania, drżenie dyskryminatory na zboczu narastającym, dyskryminatory stałofrakcyjne. Przetworniki czasowo-cyfrowe. Metody konwersji czas-amplituda. Metody ekspansji skali czasowej.

10. Uszkodzenia radiacyjne w przyrządach półprzewodnikowych
Podstawowe mechanizmy uszkodzeń radiacyjnych w przyrządach półprzewodnikowych. Uszkodzenia radiacyjne w detektorach półprzewodnikowych. Uszkodzenia radiacyjne w aktywnych elementach półprzewodnikowych: tranzystorach bipolarnych, tranzystorach polowych złączowych, tranzystorach polowych MOSFET.

Auditorium classes:

1. Rozkład pola i potencjału elektrycznego w detektorach półprzewodnikowych i gazowych
Efekty kształcenia:
• Student potrafi obliczyć rozkłady pola i potencjału elektrycznego w gazowych detektorach promieniowania o prostej geometrii elektrod.
• Student potrafi obliczyć rozkłady pola i potencjału elektrycznego w półprzewodnikowych detektorach promieniowania o prostej geometrii elektrod.
• Student potrafi obliczyć pojemności detektorów w zależności od napięcia polaryzacji dla prostych geometrii elektrod.

2. Twierdzenie Ramo
Efekty kształcenia:
• Student potrafi obliczyć analitycznie przebiegi impulsów indukowanych w detektorach o prostej geometrii elektrod.
• Student potrafi sformułować procedurę obliczeń numerycznych do wyliczenia impulsów indukowanych w detektorach o złożonej geometrii elektrod.

3. Systemy wydzielania sygnału z detektorów promieniowania
Efekty kształcenia:
• Student potrafi wyznaczyć przebiegi sygnałów otrzymywanych na wyjściu systemu prądowego, napięciowego i ładunkowego.
• Student potrafi zaprojektować proste przedwzmacniacze: prądowy, napięciowy i ładunkowy o zadanych parametrach.

4. Optymalizacja szumowa toru spektrometrycznego
Efekty kształcenia:
• Student potrafi przeprowadzić analizę szumową obwodów front-end z różnymi tranzystorami wejściowymi: tranzystorem bipolarnym, tranzystorem polowym złączowym i tranzystorem polowym z izolowana bramką.
• Student potrafi przeprowadzić analizę szumową toru spektrometrycznego dla różnych filtrów.

5. Analiza podziału ładunku i sprzężeń pojemnościowych w krzemowych detektorach paskowych
Efekty kształcenia:
• Student potrafi oszacować efekty podziału ładunku w krzemowych detektorach paskowych w zależności od parametrów geometrycznych i elektrycznych detektora.
• Student potrafi oszacować wielkości przesłuchów sygnałów poprzez pojemności miedzy paskowe iw zależności od parametrów detektora i parametrów obwodów front-end.

Laboratory classes:

1. Przedwzmacniacz ładunkowy w torze spektrometrycznym
Efekty kształcenia:
• Student potrafi zmierzyć odpowiedzi poszczególnych stopni toru spektrometrycznego
• Student potrafi określić wpływ czasu kształtowania kolejnych stopni na kształt impulsu wyjściowego.
• Student potrafi określić wpływ pojemności detektora na odpowiedź przedwzmacniacza ładunkowego i na ekwiwalentny ładunek szumów.

2. Filtr quasi-gaussowski (CR)^n –(RC)^m
Efekty kształcenia:
• Student potrafi zaprojektować filtr o zadanym paśmie przenoszenia.
• Student potrafi wyznaczyć wartość średniokwadratową szumu na podstawie pomiaru widmowej gęstości szumu.
• Student potrafi określić wpływ kolejnych stopni całkujących i różniczkujących na stosunek sygnały do szumu.

3. Układ wykrywania i odrzucania spiętrzeń
Efekty kształcenia:
• Student potrafi oszacować prawdopodobieństwo spiętrzeń impulsów w torze spektrometrycznym.
• Student potrafi określić wpływ spiętrzeń impulsów na energetyczną zdolność rozdzielczą toru spektrometrycznego.
• Student potrafi ustawić parametry robocze układu wykrywania i odrzucania spiętrzeń.

4. Układy odbioru informacji czasowej
Efekty kształcenia:
• Student potrafi oszacować wpływ czułości ładunkowej dyskryminatora na odpowiedź układu przy dyskryminacji na czole impulsu.
• Student potrafi oszacować wpływ efektu drżenia i efektu wędrowania na odpowiedź układu przy dyskryminacji na czole impulsu.
• Student potrafi zbudować dyskryminator stałofrakcyjny.

5. Bramki liniowe
Efekty kształcenia:
• Student potrafi zestawić układy pomiarowe i zmierzyć parametry bramek liniowych: mostkowej i szeregowo-równoległej.
• Student potrafi zaprojektować układ pomiarowy z bramkowanie sygnału.

6. Deficyt balistyczny
Efekty kształcenia:
• Student potrafi oszacować wpływ czasu trwania impulsu wejściowego na amplitudę sygnału wyjściowego.
• Student potrafi oszacować wielkość deficytu balistycznego w funkcji stałej czasowej układu kształtującego.

7. Detektor szczytu
Efekty kształcenia:
• Student potrafi zmierzyć i ocenić parametry różnych konfiguracji obwodów detektora szczytu.
• Student potrafi ocenić przydatność badanych rozwiązań układowych do pomiaru impulsów o zadanych parametrach; czasie narastania i zakresie dynamicznym.

Student workload (ECTS credits balance)
Student activity form Student workload
Summary student workload 204 h
Module ECTS credits 7 ECTS
Examination or Final test 2 h
Participation in lectures 45 h
Realization of independently performed tasks 28 h
Participation in auditorium classes 15 h
Preparation for classes 42 h
Participation in laboratory classes 30 h
Preparation of a report, presentation, written work, etc. 42 h
Additional information
Method of calculating the final grade:

Ocena końcowa obliczana jest jako średnia ważona ocen z egzaminu, ćwiczeń audytoryjnych, ćwiczeń laboratoryjnych z wagami: egzamin – 40%, ćwiczenia audytoryjne – 20%, ćwiczenia laboratoryjne – 40%.

Prerequisites and additional requirements:

• Znajomość podstaw elektroniki analogowej
• Znajomość podstaw fizycznych detektorów promieniowania

Recommended literature and teaching resources:

K. Korbel, Układy elektroniki front-end. AGH, Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Kraków, 2000.
K. Korbel, Ekstrakcja informacji z sygnału radiometrycznego, Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH, Kraków 2008.
K. Korbel, Szum, sygnał, filtracja w jądrowej spektrometrii amplitudowo-czasowej. Wydawnictwa AGH, Kraków 2011.
H. Spieler, Semiconductor Detector Systems. Oxford University Press, 2005
G. Lutz, Semiconductor Radiation Detectors. Device physics, Springer, 1999, 2007.

Scientific publications of module course instructors related to the topic of the module:

Additional scientific publications not specified

Additional information:

1. Moduł jest przewidziany dla studentów Fizyki Technicznej realizujących prace dyplomowe w zakresie fizyki cząstek elementarnych, fizyki jadrowej, detekcji i spektrometrii promieniowania jonizującego, metod pomiarowych z wykorzystaniem prominiowania jonizującego.

2. Warunkiem przystąpienia do egzaminu jest uzyskanie pozytywnej oceny z ćwiczeń audytoryjnych i z ćwiczeń laboratoryjnych.

3. Zaliczenie ćwiczeń audytoryjnych student uzyskuje na podstawie ocen cząstkowych ze sprawdzianów pisemnych przeprowadzanych regularnie w czasie trwania semestru. Student, który bez usprawiedliwienia opuścił więcej niż 2 ćwiczenia audytoryjne w danym semestrze, nie uzyskuje zaliczenia i zostaje pozbawiony możliwości poprawkowego zaliczania zajęć.

4. W razie nieobecności na ćwiczeniach audytoryjnych student jest zobowiązany do samodzielnego opanowania przerabianego na tych zajęciach materiału. W przypadkach nieobecności na sprawdzianie studentowi przysługuje możliwość napisania opuszczonego sprawdzianu w wyznaczonym przez prowadzącego terminie, lecz nie później niż w ciągu dwóch tygodni od daty nieobecności.

5. Podstawowym terminem uzyskania zaliczenia ćwiczeń audtytoryjnych jest koniec zajęć w danym semestrze. Student może dwukrotnie przystąpić do poprawkowego zaliczania ćwiczń audytoryjnych w terminach ustalonych przez prowadzącego zajęcia.

6. Warunkiem zaliczenia ćwiczeń laboratoryjnych jest uzyskanie pozytywnych ocen cząstkowych ze wszystkich ćwiczeń przewidzianych w programie. W razie nieobecności na ćwiczeniach laboratoryjnych studentowi przysługuje możliwość wykonania tych ćwiczeń w wyznaczonym przez prowadzącego terminie.

7. Student, który bez usprawiedliwienia opuścił więcej niż 2 ćwiczenia laboratoryjne w danym semestrze, zostaje pozbawiony możliwości wykonania tych ćwiczeń w dodatkowym terminie i nie uzyskuje zaliczenia.