Geri Dön

Design of a microprocessor based multi channel analyser for use in nuclear spectroscopy

Nükleer spektroskopi amaçlı mikrodenetleyici tabanlı çok kanallı analizör tasarımı

PDF İndir

  1. Tez No: 949415
  2. Yazar: CEBRAİL COŞKUN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. CENAP ŞAHABETTİN ÖZBEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Nükleer Mühendislik, Physics and Physics Engineering, Nuclear Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 106

Özet

Nükleer spektroskopi, radyoizotoplardan yayılan radyasyonun ya da parçacık demetlerinin detektör malzemesi ile etkileşmesi sonucunda meydana getirdikleri sinyallerin voltaj dağılımları (enerji dağılımları) ile ilgilenen bir bilim dalıdır. Nükleer spektroskopinin vazgeçilmez bileşenlerinden olan Çok Kanallı Analizörler (MCA) bu bağlamda kritik bir rol oynar. Çok kanallı analizörler, tarihsel ataları olan tek kanallı analizörlere kıyasla radyasyonun enerji dağılımını birden fazla kanaldan eşzamanlı olarak çıkardıkları için avantajlıdırlar ve nükleer spektroskopinin olmaz ise olmazlarındandır. Bu sistemler, çevresel radyasyon izleme uygulamalarından deneysel nükleer fizik çalışmalarına kadar geniş bir yelpazede kullanılmakta olup, bilhassa radyonüklid kimliklerinin tespit edilmesinde günümüzde yaygınca kullanılmaktadır. Mikrodenetleyici teknolojilerinde yaşanan sürekli gelişmeler, daha kompakt, maliyet açısından verimli ve çok yönlü MCA tasarımlarının önünü açmıştır. Gelişmiş donanım bileşenlerinin esnek yazılım çözümleriyle entegrasyonu sayesinde, modern MCA'lar hacimli ekipmanlara ve periferal elektroniğe fazla ihtiyaç duymadan yüksek performans sağlayabilir. Bu yüksek lisans tezi, nükleer spektroskopi amaçlı kullanılmak üzere geliştirilen, donanımsal verimlilik ile yazılım yeteneklerinin birleştirildiği hassas ve gerçek zamanlı spektral analiz olanağı sunan mikrodenetleyici tabanlı bir MCA'nın geliştirilmesine odaklanmaktadır. Prototip üretimi gerçekleştirilen MCA, yüksek hızlı ve 12 bitlik Analog Sayısal Dönüştürücü (ADC) içeren bir STM32F405 mikrodenetleyicisi temellidir. Belirlenen gerilim aralığında ve belirlenen sayım zamanı içerisinde toplanan spektral veriler, 4096 kanaldan oluşan bir dizinde saklanmakta olup RS-232 protokolü üzerinden bir USB arayüzü ile kişisel bir bilgisayara iletilmektedir. STM32 mikrodenetleyicisi için yazılım, veri toplama ve iletişim süreçlerinin verimli bir şekilde kontrolünü sağlamak amacıyla, C programlama dili kullanılarak yazılmıştır. Bilgisayar tarafında ise tüm yazılım Python ile geliştirilmiştir. PyQt5 tabanlı grafik kullanıcı arayüzü (GUI) ile birlikte pyqtgraph kütüphanesi kullanılarak gerçek zamanlı veri işleme, analiz ve görselleştirme sağlanmaktadır. Sistem, yazılım tabanlı işleme teknikleri sayesinde veri çözünürlüğünü dinamik olarak ayarlama olanağı sunar ve kullanıcıların ihtiyaçlarına göre daha düşük çözünürlüklerde (örneğin 8-bit, 10-bit) analiz yapılmasına imkan tanır. Veriler, kanal numaralarına veya enerji değerlerine göre görüntülenebilir. Kanal verilerinden enerjiye dönüşümü ise kullanıcı tanımlı referans noktalarına dayalı olarak gerçekleştirilen lineer kalibrasyon ile sağlanır ve bu süreçte doğrusal regresyon yöntemi kullanılır. Sistemin temel özellikleri arasında, belirli enerji aralıklarının ayrıntılı incelenmesine olanak tanıyan İlgi Alanı Bölgesi (ROI) analizi, sayım ekseninde logaritmik ve lineer ölçekleme seçenekleri, spektral verileri kaydetme ve önceden kaydedilmiş verileri yeniden yükleyerek analiz etme araçları yer almaktadır. Bu özellikler, sistemin esnekliğini ve kullanılabilirliğini artırmaktadır. Geliştirilen sistemin donanımsal altyapısı, nükleer detektörlerden gelen analog sinyallerin doğru bir şekilde sayısallaştırılmasını sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. Sürekli örnekleme yerine, yalnızca sinyalin tepe değerini ADC'ye aktarmak amacıyla bir peak-hold devresi kullanılmıştır. Bu devrede, yüksek değişim hızına (slew rate) sahip, tek kutuplu beslemeli (single-supply) ve çıkışları tam besleme sınırlarına kadar ulaşabilen (rail-to-rail) bir işlemsel yükselteç (op-amp) tercih edilmiştir. Bu yaklaşım, veri hacmini azaltarak ADC'nin etkinliğini artırmakta ve daha doğru bir spektrum elde edilmesini sağlamaktadır. Her darbenin tepe değeri ADC tarafından örneklendikten sonra, kondansatörde birikmiş olan önceki yükün yeni ölçümleri etkilememesi için hızlı bir deşarj mekanizması devreye girmektedir. Bu işlem, düşük kapasitanslı bir N-kanal MOSFET aracılığıyla gerçekleştirilmektedir. Mikrodenetleyici tarafından kontrol edilen bu MOSFET, her darbe sonrası kısa süreli olarak iletime geçerek kondansatörü boşaltmakta ve devreyi bir sonraki sinyal için hazır hale getirmektedir. Ayrıca, bir karşılaştırıcı devre kullanılarak dedektörden gelen sinyallerin gürültü seviyesi üzerinde, belirlenen bir eşiğin üzerindeki sinyallerin sayısallaştırılması sağlanmıştır. Bu eşik seviyesi, bilgisayar yazılımındaki grafik kullanıcı arayüzü üzerinden kullanıcı tarafından dinamik olarak ayarlanabilmektedir. MCA'nın gerçek zamanlı veri toplama yeteneği, sürekli çalışma modunda veri bütünlüğünü sağlamak için geliştirilen güçlü hata yönetim mekanizmalarıyla desteklenmektedir. Ayrıca, yazılımda yer alan sistem durumunu gösteren LED göstergeler ve özellikle ROI verilerini karşılaştırmak için kullanışlı olan çift pencereli görselleştirme özellikleri kullanıcı deneyimini zenginleştirmektedir. Gerçekleştirilen test ölçümleri, geliştirilen MCA'nın doğru, verimli ve kullanıcı dostu bir nükleer spektroskopi imkanı sağladığını ortaya koymaktadır. Bu da sistemi, nükleer fizik alanında eğitim, araştırma ve pratik uygulamalar için uygun bir araç haline getirmektedir. Uyarlanabilirliği ve performansı, hem akademik hem de profesyonel ortamlarda güvenilir bir analiz aracı olarak potansiyelini vurgulamaktadır.

Özet (Çeviri)

Nuclear spectroscopy is the branch of science concerned with the voltage distributions (energy distributions) of the signals produced when radiation from radioisotopes or particle beams interacts with detector materials. Multi-Channel Analyzers (MCAs), indispensable components of nuclear spectroscopy, play a critical role in this context. Compared to their historical predecessors the single-channel analyzers, MCAs offer the advantage of recording the energy distribution of radiation across multiple channels simultaneously, making them essential in nuclear spectroscopy. These systems are employed in a wide range of applications, from environmental radiation monitoring to experimental nuclear physics, and are particularly common in the identification of radionuclide signatures today. Continuous advances in microcontroller technology have paved the way for more compact, cost-effective, and versatile MCA designs. Through the integration of advanced hardware components with flexible software solutions, modern MCAs can deliver high performance without the need for bulky equipment or extensive peripheral electronics. This master's thesis focuses on the development of a microcontroller-based MCA for nuclear spectroscopy, combining hardware efficiency with software capabilities to provide precise, real-time spectral analysis. The prototype MCA is based on an STM32F405 microcontroller featuring a high-speed, 12-bit analog-to-digital converter (ADC). Spectral data collected within a defined voltage range and counting interval are stored in a 4096-channel array and transmitted to a personal computer via a USB interface using the RS-232 protocol. Software for the STM32 microcontroller was developed in C to efficiently control data acquisition and communication processes. On the computer side, all software was developed in Python; a PyQt5-based graphical user interface (GUI) together with the pyqtgraph library enables real-time data processing, analysis, and visualization. The system offers dynamic resolution adjustment through software-based processing techniques, allowing analysis at lower resolutions (e.g., 8-bit, 10-bit) according to user needs. Data can be displayed by channel number or energy value. Channel-to-energy conversion (in other word, the calibration) is performed via linear fitting based on user-defined reference points, employing linear regression. Key features include Region of Interest (ROI) analysis for detailed examination of specific energy ranges, options for logarithmic and linear scaling on the count axis, and tools for saving spectral data and reloading previously stored datasets for further analysis. These features enhance the system's flexibility and usability. The MCA's real-time data acquisition capability is supported by robust error management mechanisms developed to ensure data integrity during continuous operation. Additionally, LED indicators for system status and a dual-window visualization feature (especially useful for comparing ROI data) enrich the user experience. Test measurements demonstrate that the developed MCA provides accurate, efficient, and user-friendly nuclear spectroscopy capabilities, making it a suitable tool for education, research, and practical applications in nuclear physics. Its adaptability and performance underscore its potential as a reliable analysis instrument in both academic and professional settings.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    14164

    ISDN uçbirimi veri kapısı arabirimi yazılımı

    ISDN terminal equitment data port interface module software

    DEĞER ÇINAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1990

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. A. EMRE HARMANCI

  2. Tez No

    904059

    Multi-sensor based interface design for biomolecule diagnosis

    Biyomolekül tanısı için çoklu sensör tabanlı arayüz tasarımı

    EVREN AYDURAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    BiyomühendislikDokuz Eylül Üniversitesi

    Biyomedikal Teknolojiler Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ÖZGE CİHANBEĞENDİ

  3. Tez No

    555472

    Ethercat protokolü ile fb1111-142 kartı kullanılarak mikroişlemcinin belirlenen komutları uygulaması ve fb1111-142 kartı ile haberleşme sağlaması

    Application of the microprocessor defined commands by using ethercat protocol and fb1111-142 card and communication providing with fb1111-142 card

    ÖMER FARUK ŞAHAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ FUAT ERGENÇ

  4. Tez No

    397131

    Çoklu insansız hava araçları arası altyapısız ağlar için yeni bir konum bilgisi paylaşımlı ve yönlü ortam erişim kontrol protokolü

    A novel location oriented directional medium access control protocol for ad hod unmanned air vehicle networks

    ŞAMİL TEMEL

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolHava Harp Okulu Komutanlığı

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. İLKER BEKMEZCİ

  5. Tez No

    739376

    Otomotiv sistemleri için elektronik kontrol kartı (body controller) ve entegre yazılımlarının geliştirilmesi

    Development of electronic control card (body controller) and integrated softwarefor automotive systems

    KEREM SEFA AOK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ FURKAN KAMANLI

Geri Dön