Moduł oferowany także w ramach programów studiów:
Informacje ogólne:
Nazwa:
Elektronika jądrowa
Tok studiów:
2018/2019
Kod:
JFT-2-026-s
Wydział:
Fizyki i Informatyki Stosowanej
Poziom studiów:
Studia II stopnia
Specjalność:
-
Kierunek:
Fizyka Techniczna
Semestr:
0
Profil kształcenia:
Ogólnoakademicki (A)
Język wykładowy:
Polski
Forma i tryb studiów:
Stacjonarne
Strona www:
 
Osoba odpowiedzialna:
prof. dr hab. inż. Dąbrowski Władysław (w.dabrowski@ftj.agh.edu.pl)
Osoby prowadzące:
prof. dr hab. inż. Dąbrowski Władysław (w.dabrowski@ftj.agh.edu.pl)
dr inż. Wiącek Piotr (wiacek@agh.edu.pl)
Krótka charakterystyka modułu

Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć
Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Powiązania z EKK Sposób weryfikacji efektów kształcenia (forma zaliczeń)
Wiedza
M_W009 Student posiada wiedzę na temat układów elektronicznych front-end stosowanych do rejestracji sygnałów z detektorów promieniowania. FT2A_W02 Aktywność na zajęciach,
Egzamin
M_W010 Student posiada wiedzę na temat elektronicznych układów stosowanych w systemach spektrometrii amplitudowej i czasowej. FT2A_W02 Aktywność na zajęciach,
Egzamin
M_W011 Student posiada wiedzę na temat efektów radiacyjnych w elementach półprzewodnikowych i skutków tych efektów na działanie systemów odczytu detektorów promieniowania. FT2A_W02 Aktywność na zajęciach,
Egzamin
Umiejętności
M_U009 Student potrafi zaprojektować systemy do pomiaru i oceny parametrów układów elektroniki jądrowej. FT2A_U04 Sprawozdanie,
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
M_U010 Student potrafi posługiwać się elektronicznymi przyrządami pomiarowymi, zestawić stanowisko pomiarowe i wykonać pomiary. FT2A_U06, FT2A_U07 Sprawozdanie,
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
Kompetencje społeczne
M_K003 Student rozumie znaczenie osiągnięć w dziedzinie elektroniki jądrowej dla rozwoju metod diagnostycznych w medycynie i technice wykorzystujących promieniowanie jonizujące. FT2A_K02 Aktywność na zajęciach
Matryca efektów kształcenia w odniesieniu do form zajęć
Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Forma zajęć
Wykład
Ćwicz. aud
Ćwicz. lab
Ćw. proj.
Konw.
Zaj. sem.
Zaj. prakt
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Inne
E-learning
Wiedza
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. + + - - - - - - - - -
Umiejętności
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. - - + - - - - - - - -
Kompetencje społeczne
M_K003 Student rozumie znaczenie osiągnięć w dziedzinie elektroniki jądrowej dla rozwoju metod diagnostycznych w medycynie i technice wykorzystujących promieniowanie jonizujące. + + + - - - - - - - -
Treść modułu zajęć (program wykładów i pozostałych zajęć)
Wykład:

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.

Ćwiczenia audytoryjne:

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.

Ćwiczenia laboratoryjne:

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.

Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS)
Forma aktywności studenta Obciążenie studenta
Sumaryczne obciążenie pracą studenta 204 godz
Punkty ECTS za moduł 7 ECTS
Egzamin lub kolokwium zaliczeniowe 2 godz
Udział w wykładach 45 godz
Samodzielne studiowanie tematyki zajęć 28 godz
Udział w ćwiczeniach audytoryjnych 15 godz
Przygotowanie do zajęć 42 godz
Udział w ćwiczeniach laboratoryjnych 30 godz
Przygotowanie sprawozdania, pracy pisemnej, prezentacji, itp. 42 godz
Pozostałe informacje
Sposób obliczania oceny końcowej:

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

Wymagania wstępne i dodatkowe:

• Znajomość podstaw elektroniki analogowej
• Znajomość podstaw fizycznych detektorów promieniowania

Zalecana literatura i pomoce naukowe:

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.

Publikacje naukowe osób prowadzących zajęcia związane z tematyką modułu:

Nie podano dodatkowych publikacji

Informacje dodatkowe:

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.