Design, verification and integration of a fast digitizer for nuclear structure experiments. Application to EXOGAM and NEDA detectors

Resumen

Els experiments en estructura nuclear es porten a terme per poder entendre les propietats d’un sistema molt complex, el nucli atòmic. Els isòtops nuclears posseeixen propietats molt diferents, com ara puguen ser la estabilitat, deformació, secció eficaç de producció, modes de desintegració, etc. És evident que un enteniment complet d’aquestes propietats és necessari per poder satisfer les finalitats a les quals es pretén arribar, tant en el marc de la física teòrica nuclear, com en aquelles aplicacions que se’n deriven d’ella, com ara: radioteràpia, imatge mèdica, astrofísica, biologia, ciència dels materials, etc. Fins al moment, s’han predit un nombre de 6000 isòtops existents, encara que les propietats de tan sols uns 3000 s’han estudiat parcialment. La mesura de les propietats del nucli no és per res una tasca fàcil. Requereix d’un ampli coneixement sobre la interacció de la radiació amb la matèria, la instal·lació de complexos detectors amb centenars de canals, així com la electrònica associada i les granges d’ordinadors que s’utilitzen per al processat. L’eina més utilitzada pels físics avui en dia per a obtenir les propietats del nucli és la coneguda com espectroscòpia de rajos gamma, que utilitza l’espectre d’energies d’aquests rajos mitjançant la energia dels rajos que col·lisionen al detector. Per a dur aquesta tasca eficientment, sobretot a aquells nuclis anomenats “nuclis exòtics”, es necessita una complexa infraestructura, que per al cas de la anàlisi de la estructura nuclear, s’implementa amb espectròmetres de rajos gamma d’altra resolució, junt amb detectors complementaris com ara els detectors de neutrons i els detectors de partícules carregades. Pel que fa a la electrònica, es evident que moltes aplicacions s’encaren cada cop més a la electrònica digital, la qual fa més fàcil la implementació d’una electrònica més flexible, donada la versatilitat dels dispositius programables per a poder implementar algoritmes complexos, així com també de la seua integració. Tanmateix, algunes de les mesures que s’utilitzen per a la caracterització del nucli, com per exemple el temps de vol o la resolució en energia encara es fan actualment amb mètodes analògics, donada la gran dificultat per dur-los a terme mitjançant electrònica digital sense degradar la qualitat de la mesura. Aquesta tesi mostra el rendiment que se’n pot obtenir d’un sistema digital qual es fan mesures amb espectròmetres de rajos gamma d’altra resolució, on el desafiament és mantenir la qualitat dels sistemes analògics pel que fa a la resolució en energia, i amb la millora que aporten els sistemes digitals per a poder donar més flexibilitat, integració, millorar les comunicacions, així com també reduir els costs. Concretament, el text tracta sobre el disseny, proves i la integració d’un digitalitzador d’alta velocitat, que siga capaç de complir amb les especificacions que es requereixen per al espectròmetre d’alta resolució EXOGAM (EXOtic GAMma array), així com també del futur detector de neutrons NEDA (NEutron Detector Arrary), que serà utilitzat complementàriament amb EXOGAM i AGATA. Les Conclusions d’aquest text mostren l’èxit al integrar un sistema digital que fins al moment s’ha utilitzat mitjançant mètodes analògics. D’aquesta manera, amb la prova de que fer espectroscòpia de rajos gamma mitjançant sistemes digitals, aquest text estableix un marc de treball per a futures aplicacions al camp de la instrumentació i electrònica aplicada per al futur de la recerca en la estructura del nucli atòmic.