Instrumentación nuclear programable: evolución y perspectivas

A. VEIGA; N. MARTÍNEZ; A. PASQUEVICH; P. MENDOZA ZÉLIS; F. H. SÁNCHEZ

Montevideo

Congreso; XII Reunión de la SUF y 96 Reunión Nacional de la AFA; 2011

Asociación Física Argentina

En este trabajo se analizan las distintas posibilidades que ofrecen los microcontroladores de última 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 de física nuclear. 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 esté verificando el comportamiento del equipo un 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) estará 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.