Multichannel Analyzer (MCA)

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MCAs oder OMAs sind sehr teuer, aber mit Mikrocontrollern sollte es keine Hexerei sein, einen zu bauen.

Die Aufgabe eines MCA ist es ein Spektrum aus der Auswertung diskreter Ereignisse zu erstellen. Mein Ziel ist es Lichtimpulse in ihrer Intensität zu messen und in den Kanälen zu zählen.

Mittlerweile gibt es eine Reihe digitale Oszilloskope, in denen wahrscheinlich ein MCA-Modus nur eine Frage der Software sein sollte, ich habe allerdings keines gefunden, in dem diese Funktion zur Verfügung steht.

Idee

Einen OMAs (Optical MCAs) besteht aus dem analogen Licht-Messteil und der digitalen MCA Auswertung. Im Analogteil soll eine Intensitätsmessung mit einer Photodiode durchgeführt werden (keine Spektralmessung). Eine Alternative wäre ein Photomultiplier, dieser würde aber eine HV-Spannungsquelle benötigen und der Aufbau wäre nicht mehr so klein.

Photodiode2MCA.png

Der Grundprinzip so einfach wie eben möglich gestaltet sein, die Komplexität im Detail kommt automatisch.

  • Die Peakmessung des Spannungspulses wird ausgehend von der üblichen Sample and Hold Schaltung realisiert.
  • Der Mikrocontroller Teil basiert anfangs natürlich auf dem universell einsetzbaren ATmega32 Testboard
  • Offen ist die Umwandlung des Lichtimpulses in Spannung, hier sollte eine Photodiode an einer OP-Amp Schaltung der Startpunkt sein.

Schaltungen

Verstärkerschaltung für die Photodiode

Die Photodiode wandelt Lichtimpulse in Spannung um, kann sogar sehr kurze Pulse im Nanosekundenbereich verarbeiten. Solche kurzen Pulse stellen aber sehr hohe Herausforderungen an die nachfolgende Elektronik.

Transimpedanzverstaerker.png

Eine brauchbare Schaltung um Lichtpulse mit einer Photodiode aufzunehmen setzt einen Operationsverstärker (Op-Amp), an dem die Photodiode als Spannungsquelle am Eingang gegen Erde geschaltet ist. Eine solche Schaltung läuft unter dem Namen Transimpedanzverstärker und ist eine stromgesteuerte Spannungsquelle.

Die Photodiode arbeitet quasi im Kurzschluss, so dass ihr Strom proportional zur einfallenden Licht über Größenordnungen proportional ist.

Die Ausgangsspannung ist

Uout = - Iphoto · R1

Da Photodioden Ströme im Bereich von 10-100 µA bei 1000 Lux bringen, muss R daher recht groß sein, um im optimalen Bereich des nachfolgenden ADC zu kommen. R sollte aber so kein wie möglich sein, um die Verstärkung nicht zu groß machen, da es sich ja um hochfrequente Signale handelt. Die mögliche Verstärkung der Op-Amps fällt exponentiell mit Frequenz.

Die Auswahl der Bauteile bestimmen wesentlich die Grenzfrequenz der Schaltung.

Bauteile Auswahl:

  • D1 Photodiode
    • BPX 65
      • 10µA/350...1100nm
      • Anstiegs und Abfallzeit des Fotostroms 12 ns
    • BPW 34
      • 80µA/400...1100nm
      • Schaltzeit (typ. 20 ns)
  • IC1 Op-Amp
    • LM 358 DIP - der Standard Op-Amp
    • NE 5532 (Small-signal bandwidth: 10MHz)
  • R1 Widerstand
    • z.B. 500 kΩ (10µA)
  • C1 Kondensator
    • ist notwendig, falls R > 1 MΩ wird, damit die Schaltung nicht schwingt

Sample & Hold für MCU ADC

Die dem Transimpedanzverstärker (TIV) nachgeschaltete Sample und Hold Schaltung dient als Peak Detektor. Da der ADC im dem ATmega 32 auch hochohmig ist, könnte auf den zweiten Op-Amp in der Schaltung verzichtet werden. Das hätte den Vorteil, dass die Schaltung mit einem IC (8-Pin) auskommt, in dem zwei Op-Amps stecken, einer für den Vorverstärker, der andere für den Peak Detektor. Die gesamte Schaltung passt dann auf wenige Quadratzentimeter und kann dann direkt in den Detektor an der Photodiode angebracht werden.

FotoDiode+SH.png

Die erste Schaltung basiert auf eder Fotodiode BPW 34 (Achtung, Kathode hat kleinen "Zahn am Beinchen", diesen an den OP-Amp), dem NE 5532 R als OPV, R1 als 1M Poti ausgelegt, C1 hat 18p (was kleineres war nicht da).

FotodiodeSchaltung1.JPG

Ein Test mit einem blinkenden LED (20 ms an, 30 ms aus) ist erfolgreich. Der Pegel geht am Ausgang der TIV von 0,2 V auf fast 1 V (R1 auf 1M). Ohne abschirmendes Gehäuse ist auf dem Ausgangssignal noch ein 0,3 Vss Sinus drauf, der durch die Empfindlichkeit der Schaltung auf Streufelder oder Streulicht erklärt werden könnte.

FotodiodeOszilloskop.jpg

Ohne C1 bildet sich in unregelmäßigen Abständen (ca. 1-5 ms) durch Aufschwingen eine HF-Störung (ca. 2-5 ms lang).

Szintillation Detektor

Bismuth Germanium Oxide (BGO) Kristalle sind durchsichtig und erzeugen UV Lichtpulse (480 nm), die allerdings mit 5ns sehr kurz sind. Zudem sind BGO Kristalle nicht hygroskopisch, was ihren Umgang vereinfacht.

MCU Programm

Da kurze Pulse gemessen werden sollen, kann man in erster Näherung davon ausgehen, dass wenn am Mikrocontroller ADC Pin eine erhöhte Spannung anliegt, dass diese den Maximalwert eines Puls darstellt.

Der Mikrocontroller wandelt in einer Schleife die am ADC Pin anliegende Spannung des Peak Detektors in einen numerischen Wert. Weicht der Wert vom "Nullwert" ab, wird aus der Schleife gesprungen. Der ADC-Wert entspricht dann einem Kanal (Variable/Speicherstelle), in dem der Puls gezählt wird. Danach wird ein Pin auf Hi gesetzt, der den FET durchschaltet und den Sample & Hold Kondensator entlädt und damit eine neue Messung initialisiert.

Hinzu kommen Programm-Module für die Anzeige oder Übertragung des Kanal-Spektrums zu einem PC, sowie Taster Abfragen zur Programmsteuerung (z.B.: Kanäle zurücksetzen, Empfindlichkeit einstellen, Kanal-Auflösung umstellen).