INVESTIGADORES
MENDOZA ZELIS Pedro
congresos y reuniones científicas
Título:
Instrumentación nuclear programable: evolución y perspectivas
Autor/es:
A. VEIGA; N. MARTÍNEZ; G. PASQUEVICH; P. MENDOZA ZÉLIS; F. H. SÁNCHEZ
Lugar:
Montevideo
Reunión:
Congreso; Segunda Reunión Conjunta SUF-AFA; 2011
Institución organizadora:
SUF-AFA
Resumen:
En
este trabajo se analizan las distintas posibilidades que ofrecen los
microcontroladores de ultima generación, que operan con frecuencias del orden
de las centenas de MHz, para la implementación tanto de experimentos para
cursos avanzados de grado y posgrado como para laboratorios que usan procesos
de desexcitación nuclear para estudios en física nuclear y en materia
condensada. Se presenta un estudio cuantitativo de las limitaciones impuestas
por los dispositivos actuales en operaciones tales como medición de intervalos
de tiempo y tasas de conteo, y se
intenta trazar una perspectiva en función de los avances tecnológicos para los
próximos años.
Para
el estudio se utilizaron dos familias de microcontroladores de reciente
lanzamiento (ADuC7020 de Analog Devices y LPC1700 de NXP Semiconductors).
Además ́de un núcleo RISC segmentado de 32 bits que opera a frecuencias de hasta 120 MHz, estas familias
disponen de una buena selección de periféricos integrados de alta performance
(contadores con captura basada en interrupciones, temporizadores, relojes de
tiempo real, etc.) e interfases estándar
(Ethernet, USB, RS232) que permiten integrar el experimento con programas de
cálculo para la manipulación,
procesamiento y representación de los datos.
A
fin de evidenciar la performance de los periféricos incluidos en estos
dispositivos se presenta la implementación de algunos experimentos clásicos que
no requieren de cómputos intensivos, tales como la medición de la vida media
del muón y la verificación de la distribución exponencial del tiempo entre eventos
emitidos por una fuente radioactiva. Se cuantifica la precisión y exactitud en
la medición de tasas y tiempos del orden de los micro y nanosegundos.
La
capacidad de cómputo del núcleo se evaluó analizando las posibilidades que
ofrecen estos dispositivos frente a un problema desafiante como es la
simulación por hardware de una fuente radioactiva. El diseño y calibración de
instrumental nuclear de laboratorio requiere frecuentemente simular el comportamiento
de un detector de radiación, con el objetivo de verificar el funcionamiento de
la electrónica de conteo asociada. Para ello suelen utilizarse instrumentos
generadores de funciones programables que presentan la desventaja de operar a
frecuencia constante o variable según un patrón determinado. En dichas
condiciones no se puede asegurar que se está verificando el comportamiento del
equipo en condiciones equivalentes a las de laboratorio, pues la radiación
nuclear, al tener el comportamiento de un proceso aleatorio con distribución de
Poisson, presenta características particulares que no pueden ser simuladas con
un generador periódico: además de que el arribo de los eventos no está
sincronizado, es posible que a tasas muy bajas puedan presentarse dos eventos
muy próximos entre sí.
Dicho comportamiento puede aproximarse con
algoritmos determinísticos que involucran la generación de números
pseudo-aleatorios con distribución uniforme, a partir de los cuales puede
obtenerse la distribución deseada dividiendo el tiempo en intervalos
consecutivos en los que es igualmente probable que exista un evento. Si el número
de intervalos por segundo es suficientemente grande y la probabilidad de emisión
suficientemente baja, el comportamiento se aproxima al deseado. La tasa queda
determinada por el producto entre la probabilidad de emisión y el número de
intervalos por unidad de tiempo. El problema se reduce entonces a encontrar un
algoritmo digital lo suficientemente rápido como para calcular millones de veces
por segundo un número pseudo-aleatorio con distribución uniforme y realizar una
comparación. El tiempo muerto entre eventos (que idealmente debería ser cero)
estar ́ determinado por la performance del sistema digital y la complejidad del
algoritmo. Se presentan algunas variantes del algoritmo utilizando registros de
desplazamiento con realimentación lineal (LFSR) y su desempeño en los núcleos
en estudio.