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Ultraschnelle A/D-Wandler für die Wissenschaft

5. November 2014, 11:02 Uhr | Ralf Higgelke

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Schnelle A/D-Wandler in der Massenspektrometrie und der Radioastronomie

Die TOF-Massenspektrometrie (Time of Flight) ist ein Verfahren, um das Masse-zu-Ladung-Verhältnisses von Ionen zu bestimmen, indem ihre Geschwindigkeit nach der Beschleunigung durch ein elektrisches Feld gemessen wird (Bild 4). Dieser Wert ist ein grundlegender Parameter für die Werkstoffanalyse. Zum Ermitteln der Geschwindigkeit wird die Zeit gemessen, die das Teilchen nach der Beschleunigung benötigt, um einen in einem bekannten Abstand platzierten Detektor zu erreichen. Diese Zeit hängt von dem Masse-zu-Ladung-Verhältnis des Teilchens ab, denn schwerere Teilchen erreichen geringere Geschwindigkeiten.

Ein TOF-Massenspektrometer verwendet in der Regel eine Mikrokanalplatte als Detektorsystem. Das Signal von der Platte wird verstärkt und dann an einen Zeit-Digital-Wandler (TDC) oder schnellen ADC gesendet. In der Praxis enthält der TDC einen Rampengenerator und einen schnellen A/D-Wandler. Das Verfahren erfordert eine hohe Linearität und häufig kommen Phasenmodulationstechniken zum Einsatz, um Abweichungen durch die integrale Nichtlinearität (INL) des ADCs Rechnung zu tragen. Es kommt jedoch zu Überlastungsproblemen, wenn mehrere Ereignisse während desselben Messfensters auftreten.

Ein alternativer Ansatz verwendet ultraschnelle A/D-Wandler mit Abtastraten im Gigasample-pro-Sekunde-Bereich, um den gepulsten Ionenstrom vom Detektor in diskreten Zeitintervallen zu digitalisieren. Die erfassten Daten werden dann in einem Speicher abgelegt. Diese Methode beseitigt den Totzeiteffekt, da die gesamte Abtastung in Echtzeit aufgezeichnet werden kann. Nach der Aufzeichnung wird der Massenmittelpunkt jedes Peaks berechnet, um dessen tatsächliche TOF zu berechnen. Zufällige Messabweichungen entstehen bei diesem Prozess unter anderem durch die Detektorverstärkung und Poissonsches Rauschen (Schrotrauschen). Durch die INL des Wandlers kann es jedoch auch zu systematischen Messabweichungen kommen. Diese Effekte können minimiert werden, indem eine Phasenmodulation oder Verweistabellenkorrektur auf die INL des ADC angewendet wird. Ein weiterer Faktor für die Genauigkeit dieser Berechnung ist die Impulsantwort des Ionenpulses, die durch die Antwort des Vorverstärkers und des ADC beeinflusst wird, die jeweils zur Verbreiterung der Signalform beitragen. Ein ADC mit hoher Bandbreite reduziert diesen Effekt.

Als Teildisziplin der Astronomie befasst sich die Radioastronomie mit den von Himmelskörpern ausgesendeten Funkwellen. Dabei kommen große Antennen zum Einsatz, die entweder einzeln oder mit mehreren gekoppelten Teleskopen verwendet werden, die mit interferometrischen Methoden arbeiten. Durch den Einsatz der Interferometrie in der Astronomie lässt sich hohe Winkelauflösung erreichen, da die Auflösungsleistung eines Interferometers vom Abstand zwischen seinen Komponenten abhängt.

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Da die Radioastronomie die Erfassung von Signalen auf Millimeter- und Mikrowellenfrequenzen erfordert, wird eine hohe Abtastrate benötigt. Bild 5 zeigt ein System mit einem Prototyp eines ADCs mit 20 GSample/s und 5 Bit Breite, das in einem Millimeterwellen-Radioteleskop des Instituts für Radioastronomie (IRAM) in Grenoble (Frankreich) verwendet wird. Die Auflösung des Wandlers ist im Betrieb bei derart hohen Abtastraten weniger von Bedeutung, da das thermische Rauschen bei diesen Bandbreiten hoch ist. Bei niedrigeren Abtastraten kann jedoch eine hohe Auflösung von Nutzen sein, und für andere Anwendungen haben andere Institute einen Vierfach-Wandler mit 10 Bit Auflösung verwendet.