Implementation of digital processing algorithms for real time radiation spectroscopy applications

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Main Author: Madeira, Gil Ramos
Publication Date: 2024
Format: Master thesis
Language: eng
Source: Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
Download full: https://hdl.handle.net/10316/117808
Summary: Dissertação de Mestrado em Engenharia Física apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
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spelling Implementation of digital processing algorithms for real time radiation spectroscopy applicationsImplementação de algoritmos de processamento digital em tempo real para aplicações de espectroscopia de radiaçãoMulti channel AnalyserField Programmable Gate Array (FPGA)SpectroscopyVHDLAnalisador Multi canalArranjo de portas programáveis em campo (FPGA)EspetroscopiaVHDLDissertação de Mestrado em Engenharia Física apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaThis dissertation involves the implementation of an FPGA based digital signal processing chain for a Multi channel Analyser, used in applications of radiation spectroscopy.Radiation spectroscopy is the area that studies the energy distribution of radiation emitted by a source, such as radioactive materials, X-rays, or cosmic rays. It is widely used in nuclear physics, medical imaging, environmental monitoring, and material analysis. The basic principle involves detecting and analysing the energy of particles or photons emitted by radioactive substances or other sources of radiation, being the key goal to identify and quantify the types of radiation and their energy levels.The project is motivated by the need of (re)programmable and highly configurable hardware, capable of performing signal processing algorithms, being the FPGA a suitable technology for the task. A study about the processing algorithms used in the area of radiation spectroscopy has been carried out. Within this study, important algorithms for signal filtering, triggering and pulse identification, pile up rejection and recovery and pulse height estimation for energy estimation are discussed. With this study, a prototype for an FPGA based MCA processing chain has been designed and implemented using VHDL. Simulations with this design have been carried out, showing the correct operation of the design. Experimental tests with the design have been performed. Verification tests about the general behaviour of the circuit show that most of the implemented mechanisms (pulse identification, baseline calculation, pulse height estimation) work correctly as designed. The pile up rejection mechanism is implemented but not officially tested and documented duo to schedule reasons. The pulse height estimation mechanism performed using a trapezoidal shaper has been further tested for different shaping parameters and for different compensation parameters. These verification tests show that the pulse height is always underestimated (error within 2% of the full scale range), which was not expected, indicating that wrong assumptions about the pulse generation and pulse characteristics after the signal conditioning stage. Still, the results show great response linearity.Esta dissertação envolve a implementação de uma cadeia de processamento digital de sinal baseada em FPGA para um analisador multicanal, utilizado em aplicações de espectroscopia de radiação. A espectroscopia de radiação é a área que estuda a distribuição de energia da radiação emitida por uma fonte, como materiais radioativos, raios-X ou raios cósmicos. Ela é amplamente utilizada em física nuclear, imagem médica, monitoramento ambiental e análise de materiais. O princípio básico envolve a detecção e análise da energia de partículas ou fotões emitidos por substâncias radioativas ou outras fontes de radiação, sendo o objetivo principal identificar e qualificar os tipos de radiação e seus níveis de energia.O projeto é motivado pela necessidade de hardware (re)programável e altamente configurável, capaz de executar algoritmos de processamento de sinal, sendo o FPGA uma tecnologia adequada para a tarefa. Um estudo sobre os algoritmos de processamento utilizados na área de espectroscopia de radiação foi realizado. Neste estudo, são discutidos algoritmos importantes para filtragem de sinal, disparo ("trigger") e identificação de pulsos, rejeição e recuperação de sobreposição de pulsos, e estimativa de altura de pulso utilizada na estimativa da energia do evento. Com este estudo, um protótipo para uma cadeia de processamento de MCA baseada em FPGA foi projetado e implementado usando VHDL. Simulações com este design foram realizadas, mostrando o funcionamento correto do projeto. Testes experimentais com o design foram realizados. Os testes de verificação sobre o comportamento geral do circuito mostram que a maioria dos mecanismos implementados (identificação de pulsos, cálculo de linha de base, estimativa de altura de pulso) funcionam corretamente conforme projetado. O mecanismo de rejeição de sobreposição de pulsos foi implementado, mas não foi testado e documentado. O mecanismo de estimativa da altura do pulso realizado usando um "shaper" trapezoidal foi testado para diferentes parâmetros de modelação e para diferentes parâmetros de compensação. Estes testes de verificação mostram que a altura do pulso é sempre subestimada (erro máximo de 2% da escala completa), o que não era esperado, indicando que foram feitas suposições erradas sobre a geração de pulsos e características destes pulsos após a etapa de condicionamento de sinal. Ainda assim, os resultados mostram que a resposta do instrumento apresenta boa linearidade.2024-10-04info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttps://hdl.handle.net/10316/117808https://hdl.handle.net/10316/117808TID:203826590engMadeira, Gil Ramosinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2025-01-22T23:11:14Zoai:estudogeral.uc.pt:10316/117808Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-29T06:11:42.110384Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse
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