Laag vermogen hoogspannings voeding met klein signaal versterker. Base voor een 10 dynodes HAMAMATSU PMT voor enkele foton detectie. P.F.Timmer P.F.Timmer Reference: http://iopscience.iop.org/1748-0221/5/12/c12049/ 1
Multi PMT systeem gebruikt voor detection van neutrinos Plaats: Bodem van de Middelandse zee. Grootte: 1 kubieke kilometer Aantal bollen : 6000 Aantal PMT s :186000 2
PMT-base. Optisch module Incl. verwerkings elektronica Vereisten Laag vermogen. Lage EM uitstraling. Lage rimpel. Instelbare hoogspanning. geïntegreerde versterker. Klein oppervlakte. Hamamatsu PMT met hoogspanning voeding. P.F.Timmer 3
PMT s in de onderste halve bol. P.F.Timmer Opstelling met ETL PMT s en hun HV voeding. Door kapton kabels makkelijk te verbinden met de Octopus print. 4
Impressie schema HAM_PROMiS2_V2 base Spanningsverhouding -700V to -1500V 22n 100n : totaal 13 stappen k 3 3G 22n 3V3 L4 3V3 L2 22n 22n 100n 100n d1 d2 1 220pF L3 L1a 22n 100n 100n 6 FB P.F.Timmer I2C Analoge en digitale uitgang COCO 1M5 1uF 1M5 HV DAC uitgang PROMiS2 A L1b 22n 22n 22n 22n 100n 100n 22k 100n 22k 100n 22k 47n 22k 47n 56 47n 56 47n d8 d9 d10 1 1 1 5
Ontwerp overwegingen. Selectie van componenten die tegen de hoge spanning van de CW multiplier aankunnen. Controle van de dissipatie van elk component. Controle van de afstand op de PCB tussen de HV componenten. Keuze van een betrouwbaar connector systeem. 6
Layout Beperkte ruimte. Het lijkt ruim, maar door HV en testpunten beperkte ruimte. Hoge dv/dt in delen van het circuit. Versterking van zeer kleine signalen. Voor een enkele foton is het signaal kleiner dan een mv. Layout van de HAM_PROMiS2_V1 7
P.F.Timmer Specificaties HV circuit met klein signaal versterker voor 10 dynodes PMT Lage rimpel 706 mv 1170 8.5 < T( C) < 22.1 0.07% 8.5 < T( C) < 22.1 Uitgangs spanning stabiel: 3 V < Vingang < 3.6 V Lage dissipatie Vinput 3.3 V 4,5 mw 1500V voor HV circuit 30 mw voor PROMiS2 Lage RFI dv/dt < 75 mv/µs, RFI -20 db @ 150 khz-10 MHz Instelbare HV kathode voltage -700 _ -1500 V Instelbare threshold voor pulsbreedte instelling ~ 30nSec voor een foton Kleine print diameter PCB = 43 mmø Betrouwbaarheid 200 FIT @ 20 C, voor statisch gebruik na testen 8
Test mogelijkheden. Uiteindelijk moet elke base getest en gecalibreerd worden. Alleen geteste en gecalibreerde printen worden op PMT s gesoldeerd. HV calibratie is nodig omdat alle toleranties van de componenten bij elkaar opgeteld voor een te grote afwijking van de hoogspanning zorgen. Calibratiegegevens met bijbehorend ID moeten worden opgeslagen in een database. Hoe? Met een systeem geïntegreerd in een assemblage lijn. Met een testsysteem geleverd door. Een combinatie (ijking, controle) is ook mogelijk. Waar? Bij een assemblage firma. Op de plek waar de Printen op de PMT s worden gesoldeerd. 9
Opgenomen stroom. Test procedure Meten bij 3,3 V ingangsspanning. Tussen de 8 en 12 ma zonder analoge buffer. Hoogspannings meting. 1 meting bij 700 V. HVdac instelling is 00. 1 meting bij 1500 V. HVdac instelling is FF. Tussen de 50 en 80 ma met analoge buffer. De 1500 V meting controleren bij 3,6V voedingsspanning en daarna bij 3V voedingsspanning. Circuit is ontworpen voor laag vermogen. Een 100 Meg meetopstelling is te laagomig. Meten met minimaal 1 Gigaohm belasting. Nauwkeurigheid 0,5% Pulsbreedte meting van de digitale uitgang. Ladings injectie op versterker ingang. Pulsbreedte meting is +/- 30nsec. Common mode spanning 1,2V. Amplitude is maximaal + en 0,4V t.o.v. de common mode spanning. (LVDS) Meting analoge buffer. Buffer aanzetten via I2C. Meting van de amplitude van analoge buffer. Common mode spanning is ½ Vvoeding. Amplitude is maximaal + en 1,5V t.o.v. common mode spanning. 10
PMT base functionele test met testopstelling. Controle of de opgenomen stroom binnen gestelde grenzen ligt. Controle I2C communicatie. Controle DACHV uitgang van PROMiS2. Controle schakeluitgang van de COCO. Controle pulbreedte van de schakeluitgang van de COCO. Controle maximum frequentie van de COCO. Controle of de HV op komt. Alle inter dynode spanningen worden apart gemeten. Controle van bereik van HVDAC uitgang en HV uitgang. (stappen van 50V). Controle of HV diodes en condensatoren niet lekken. Controle van het systeem met ingangsspanning variaties van 3V 3.6V. Controle pulsbreedte uitgang van PROMiS2 als er lading word geïnjecteerd. Comparator DAC is zo ingesteld dat de PROMiS2 de juiste pulsbreedte geeft.. Controle analoge uitgang van PROMiS2 als er lading word geïnjecteerd 11
Test setup Control Board Safety system Voltage Adjustment and Current measurement Digital value PROMIS outputs PMT Tail Adapter Test PROMIS outputs Digital values frequency and pulse width Digital value for charge adjust Digital value HV control Discharge capacitors from CW high voltage circuit PMT base adapter PMT base CoCo test frequentie and pulse width o CoCo Pr mi PROMIS om is CW High Voltage circuit Electronics for charge injection PROMIS Test HV Control And I2C HV barrier HV measurement supply unit 1 HV barrier HV measurement supply unit 14 Digital value of inter dynode voltages 12
De test opstelling. 13
Control panel for test setup
Start up wave forms of dynode connections 15
Discharge waveforms of dynode connections 16
File with test results Tester number: 0 Timestamp: 7-1-2014 14:24 Base Type: Hamamatsu Serial number PROMiS (x): 0000AE Serial Number Base 100012 Base Power VBase (V) IBase (ma) 3.299 9.039 HV Test DAC PROMiS (V) Pulse Freq Min (Hz) Pulse Freq Max (Hz) D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 Total 0.000 1.886 490.453 Inf 54.284 53.688 53.923 53.917 53.482 53.556 53.760 54.297 53.626 54.290 54.594 54.789 55.085 703.293 15.000 1.930 597.696 1.871.398 57.916 57.449 57.568 57.611 57.167 57.246 57.310 57.968 57.159 57.850 58.081 58.268 58.472 750.064 31.000 1.980 727.564 2.215.281 62.002 61.469 61.583 61.564 61.105 61.126 61.240 61.862 60.978 61.664 61.851 62.029 62.300 800.772 47.000 2.028 873.012 2.504.257 65.991 65.489 65.597 65.582 64.979 65.006 65.171 65.884 64.797 65.478 65.714 65.822 66.001 851.512 63.000 2.079 1.032.802 2.787.301 70.044 69.509 69.551 69.600 68.981 69.013 69.101 69.779 68.680 69.324 69.515 69.708 69.828 902.634 79.000 2.131 1.392.312 3.076.829 74.001 73.465 73.504 73.618 72.919 72.893 72.905 73.673 72.467 73.107 73.379 73.470 73.530 952.929 95.000 2.178 1.665.806 3.374.502 77.957 77.355 77.457 77.506 76.762 76.709 76.709 77.504 76.255 76.921 77.148 77.137 77.294 1.002.713 111.000 2.228 1.659.503 3.735.525 81.978 81.440 81.410 81.459 80.668 80.653 80.703 81.462 80.201 80.862 81.043 81.055 81.184 1.054.118 127.000 2.277 1.899.407 4.169.099 85.999 85.395 85.363 85.412 84.670 84.596 84.697 85.420 84.084 84.740 84.939 85.004 85.074 1.105.393 143.000 2.326 2.174.859 4.578.126 90.020 89.350 89.316 89.430 88.545 88.540 88.564 89.378 87.966 88.618 88.771 88.828 88.838 1.156.165 159.000 2.377 2.522.513 5.042.102 93.976 93.371 93.269 93.383 92.483 92.420 92.431 93.272 91.786 92.559 92.603 92.652 92.665 1.206.871 175.000 2.426 2.955.520 5.563.592 98.062 97.326 97.346 97.336 96.389 96.300 96.425 97.167 95.637 96.437 96.373 96.539 96.618 1.257.954 191.000 2.473 3.470.656 6.198.091 102.018 101.411 101.176 101.354 100.423 100.307 100.419 101.189 99.615 100.315 100.362 100.425 100.382 1.309.395 207.000 2.522 4.190.939 6.949.753 105.975 105.301 105.129 105.242 104.234 104.187 104.223 105.211 103.434 104.129 104.163 104.186 104.146 1.359.560 223.000 2.572 5.007.762 7.908.889 109.866 109.192 109.020 109.131 108.108 108.003 108.026 108.914 107.221 107.944 107.932 107.948 107.911 1.409.215 239.000 2.622 6.342.360 9.171.788 113.887 113.147 113.035 113.084 112.110 111.947 111.957 112.872 111.072 111.949 111.890 111.834 111.738 1.460.521 255.000 2.675 7.730.365 10.858.942 117.908 117.232 116.988 117.166 115.985 115.827 115.888 116.830 114.955 115.795 115.722 115.721 115.690 1.511.707 HV Test VBase Sweep VBase (V) PROMiS (V) Pulse Freq Min (Hz) Pulse Freq Max (Hz) D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 Total 3.600 2.672 3.596.605 3.851.783 117.778 116.973 116.741 116.907 115.762 115.763 115.888 116.766 114.955 116.081 115.911 115.972 116.004 1.511.500 3.400 2.672 3.992.654 4.827.653 117.843 117.232 116.927 116.972 115.921 115.827 115.888 116.830 114.987 115.858 115.911 115.909 115.941 1.512.045 3.300 2.672 4.943.398 5.869.234 117.908 117.232 116.927 117.166 115.953 115.827 115.951 116.958 114.987 115.826 115.911 115.909 115.816 1.512.370 3.200 2.672 6.018.296 7.437.709 117.908 117.232 116.927 117.166 115.985 116.018 115.951 116.958 114.987 115.826 115.911 115.846 115.753 1.512.467 3.100 2.675 7.602.828 10.046.213 117.908 117.232 116.957 117.166 115.985 116.018 115.951 116.958 114.955 115.826 115.754 115.721 115.690 1.512.121 3.000 2.672 10.161.569 13.685.508 117.908 117.232 116.988 117.166 115.985 116.018 115.951 116.830 114.955 115.795 115.722 115.658 115.565 1.511.773 HV Test Discharge VBase (V) PROMiS (V) Pulse Freq Min (Hz) Pulse Freq Max (Hz) D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 Total 2.800 2.672 9.231.905 15.475.085 67.256 71.584 75.017 78.932 83.908 86.504 88.374 91.166 91.022 92.687 93.545 102.713 102.891 1.125.599 HV Test Max Frequency VBase (V) PROMiS (V) Pulse Freq Min (Hz) Pulse Freq Max (Hz) D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 Total 3.300 2.672 760.531 46.511.629 0.713 0.746 0.679 0.745 0.730 0.763 0.761 0.766 0.764 0.858 0.880 0.940 0.941 10.287 Analog Buffer VBase (V) IBase (ma) 3.299 70.675 An Ch DAC Analog PROMiS (mv) TDC (nsec) 0.000 278.301 0.655 63.000 907.436 26.190 127.000 1.412.331 34.970 191.000 1.750.690 41.029 255.000 1.909.296 47.150 319.000 2.012.389 53.581 383.000 2.089.049 58.898 447.000 2.147.204 64.277 511.000 2.196.107 70.089 575.000 2.231.794 74.850 639.000 2.266.158 80.477 703.000 2.291.271 85.052 767.000 2.316.383 90.184 831.000 2.337.531 94.945 895.000 2.354.713 99.891 959.000 2.369.252 104.467 1.023.000 2.379.826 109.413 17
Status Van Ham_PROMiS2_V1 zijn 640 printen gemaakt. Met deze printen wordt de testopstelling geevalueerd. Van Ham_PROMiS2_V2 worden 20 prototypes gemaakt. (verandering van stack-up) Vanwege lange levertijden worden een aantal componenten door besteld. De 3 Giga ohm weerstand. Alle 200 V condensatoren. De transformator. Dy5 Dy4 Dy3 Dy2 Dy1 nc K Dy6 P Anode Dy 7 Dy8 Dy9 Dy10 P.F.Timmer Ham_PROMiS2_V1 base for Hamamatsu PMT 18
Vragen? 19
Extra sheets Temerature influence DAC value versus HV Tail protection against HV RoHS directive (thin whiskers) Hamamatsu tube with base 28-01-2014 20
deviation Temperature influence (shock test) 100.4% 100.3% 100.2% 100.1% 1 h 1 h voltage 785 100.0% 983 99.9% 1180 99.8% 99.7% 1 h 1378 1474 99.6% -40-20 0 20 40 60 80 T [ C] 28-01-2014 21
HV deviation Temperature influence 100.3% 100.2% 100.1% 100.0% 99.9% 99.8% 99.7% 99.6% 99.5% 99.4% 0 20 40 60 80 100 T [ C] ΔT=10 C/h voltage 785 983 1180 1378 1474 28-01-2014 22
HV [V] DAC value to HV value 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 0 16 32 48 64 80 96 112 128 144 160 176 192 208 224 240 256 DAC=HEX2DEC(dac) dac=dec2hex(dac) DAC value [decimals] HV=3.0887*DAC+686.2 DAC=0.3238*HV-222.16 28-01-2014 23
HV-protection Protect neighbour HV from tails neighbour from HV bases 28-01-2014 24
RoHS directive Restriction of the use of certain Hazardous Substances in electronic equipment. Consequences; Higher solder temperatures (up to 260 C) Favorite solder: SnAgCu alloy (217 C) Chance for more excessive tin whisker growth Tin whiskers, length up to 10mm, diameter up to 10µm. Optimal growth at 50 C Ref: http://nepp.nasa.gov/whisker/background/index.htm electrical short circuits debris, contamination, metal vapor arc, due to HV. Image Courtesy of T. Riccio (STPNOC) Conformal coating like Parylene C tends to buckle the whisker. 28-01-2014 25