Progettazione di una linea di ritardo per emulatore digitale di segnali casuali

The massive evolution of digital processors for radiation measurements has highlighted the extreme convenience to develop techniques for emulating the detection and acquisition systems. The process of debugging of systems as digital pulse processors, pulse discriminators, Time-to-Digital/Amplitude converters, etc, requires an ever-increasing effort of processing algorithms that are becoming more and more complex. The possibility to generate test vectors that are the as similar as possible to the actual data produced by the experiment, both in the software simulation and at the hardware level can extremely reduce the R&D projects time. All of this can be summarized in the need to generate an electrical signal with completely controlled characteristics that is compliant to the real output of a radiation detection setup. Although the use of a source and a detector is always the best way to generate a reliable data set, it involves considerable disadvantages, especially during preliminary feasibility studies. The use of the source inherently involves a risk for the health of the experimenters, and in addition requires labs equipped in accordance with the regulations in term of use of radioactive substances. Moreover, the emission spectrum depends on the nature of the source, e.g. the polarization of an X-ray tube or the process of decay. The statistical distribution of the events is Poissonian and usually the user can only control the rate, and has no control on the statists. The spectrum of noise, interferences and the pulse shape are issues on which the experimenter can hardly affect. Furthermore, the natural emission process is not repeatable and therefore it is not possible to evaluate the behavior of different implementations of the processing system on a set of equal data. The scope of this thesis work is to contribute to the realization of a multichannel nuclear radiation emulator, aimed to avoid the necessity to physically use radioactive sources during the elaboration systems development phase. This implies many advantages in terms of economy, operators’ security and design flexibility. There are several possible applications, from biomedical imaging to physics and astronomy. I will begin my dissertation with an introduction to biomedical imaging, then switching to emulation principles and concluding with a detailed explanation of my work, which is mostly centered around the delay lines design, allowing time shift operations between different signal paths emulated on the outputs.

L’importante evoluzione dei processori digitali per le misure di radiazioni ha sottolineato l’estrema convenienza che risiede nello sviluppo di tecniche di emulazione dei sistemi di rilevazione ed acquisizione. Il processo di debugging dei sistemi come processori di impulsi digitali, discriminatori di impulsi, convertitori Time-to-Digital, etc, richiede uno sforzo sempre più consistente nell’elaborazione di algoritmi che stanno diventando sempre più complessi. La possibilità di generare dei vettori di test che siano il più possibile simili ai dati prodotti dall’esperimento vero e proprio, sia per quanto concerne la simulazione software che a livello hardware, può ridurre notevolmente il tempo di ricerca e sviluppo. Tutto questo può essere riassunto nella necessità di generare un segnale elettrico con caratteristiche completamente controllabili, che sia in linea con l’output reale di un setup di rilevazione delle radiazioni. Sebbene l’utilizzo di sorgente e rilevatore sia sempre la maniera migliore per generare dati affidabili, comporta considerevoli svantaggi, specialmente durante gli studi preliminari di fattibilità. L’utilizzo della sorgente comporta necessariamente un rischio per la salute degli sperimentatori e, in aggiunta, richiede un laboratorio attrezzato in conformità con le norme per l’utilizzo di sostanze radioattive. Oltretutto, lo spettro di emissione dipende dalla natura della sorgente, ad esempio la polarizzazione di un tubo a raggi X o il processo di decadimento. La distribuzione statistica degli eventi è Poissoniana e solitamente l’utente può solo controllarne la frequenza e non ha alcun controllo sulla statistica. Lo spettro di rumore, le interferenze e la forma dell’impulso sono caratteristiche sulle quali lo sperimentatore può difficilmente agire. Tra l’altro il processo naturale di emissione non è ripetibile e, quindi, non è possibile valutare il comportamento di differenti implementazioni del processo su un identico insieme di dati. Scopo di questo lavoro di tesi è contribuire alla realizzazione di uno strumento emulatore multicanale di radiazioni nucleari con il fine di evitare di dover avere fisicamente a disposizioni le sorgenti radioattive durante la fase di sviluppo dei sistemi di elaborazione. Ciò comporta molteplici vantaggi in termini di economia di progetto, sicurezza degli operatori e flessibilità del processo di design. Le applicazioni possono essere le più svariate, dall’imaging biomedico alla fisica all’astronomia. Comincerò la mia trattazione con un’introduzione sull’imaging biomedico per passare ai principi dell’emulazione e concludere soffermandomi sul mio lavoro in particolare, che si incentra sulla progettazione delle linee di ritardo che permettono operazioni di sfasamento tra i diversi percorsi dei segnali emulati sulle uscite.