1  

UltraHighInputImpedanceElectrometer/PulseTrainConverterFortheMeasurementofBeamIntensity

CurrentDigitizerII

Daniel Schoo June 2015 

  

 

2  

TableofContents

DESIGN OVERVIEW .................................................................................................................................................. 5 Module Description .................................................................................................................................. 5 

FIGURE 1, Current Digitizer II Panel ...................................................................................................... 6 

Front Panel ................................................................................................................................................ 7 

1. CURRENT IN Input connector ............................................................................................................ 7 

2‐3. Charge Polarity Indicators .............................................................................................................. 7 

4‐5. DC Power Status Indicators ........................................................................................................... 7 

6‐7. Gate Status Indicators .................................................................................................................... 7 

8‐9. Timing Pulse Indicators .................................................................................................................. 7 

10. PULSE OUT Indicator ....................................................................................................................... 7 

11. Check Engine Indicator .................................................................................................................... 7 

12. Gate Generator START Input ........................................................................................................... 7 

13. Gate Generator STOP Input ............................................................................................................ 8 

14. RESET OUT ....................................................................................................................................... 8 

15. INHIBIT OUT .................................................................................................................................... 8 

16. Manual START pushbutton ............................................................................................................. 8 

17. Manual STOP pushbutton ............................................................................................................... 8 

18. Digitizer UNGATED PULSE OUT (NIM) ............................................................................................. 8 

19. Digitizer UNGATED PULSE OUT (TTL) .............................................................................................. 8 

20. ANALOG SAMPLE OUT .................................................................................................................... 8 

Circuit Overview ........................................................................................................................................ 9 

FIGURE 2, Current Digitizer II Schematic Diagram ................................................................................ 9 

FIGURE 3, Digitizer Module Block Diagram ........................................................................................... 9 

Electrometer Charge to Voltage Amplifier.......................................................................................... 10 

Voltage to Frequency Converter ......................................................................................................... 12 

FIGURE 4, AD650 Internal Functions ................................................................................................... 12 

Analog Sample Buffer ......................................................................................................................... 13 

Gate Generator ................................................................................................................................... 13 

TTL to NIM Level Conversion .............................................................................................................. 14 

Pulse Display Circuits .......................................................................................................................... 14 

3  

DC Power Regulation .......................................................................................................................... 14 

MODULE INSTALLATION ...................................................................................................................................... 14 Jorway Quad Scaler ................................................................................................................................. 14 

FIGURE 6, Typical Installation With Jorway Scaler .............................................................................. 15 

CAMAC 333 Eight Channel Scaler ........................................................................................................... 16 

FIGURE 7, Digitizer with a CAMAC 333 Eight Channel Scaler ............................................................. 16 

DETECTOR TYPES ................................................................................................................................................... 17 Ion Chamber ............................................................................................................................................ 17 

FIGURE 8, Modular Ion Chamber Intensity Monitor ........................................................................... 17 

FIGURE 9, Modular Ion Chamber Assembly ........................................................................................ 18 

Secondary Emission Monitor .................................................................................................................. 18 

FIGURE 10, SEM Internal Construction ............................................................................................... 19 

TYPICAL DETECTOR INSTALLATION ................................................................................................................. 19 FIGURE 11, Modular Ion Chamber Wiring .......................................................................................... 19 

FIGURE 12, SEM Wiring ....................................................................................................................... 20 

ACNET SCALE FACTORS ....................................................................................................................................... 20 

CALIBRATION OVERVIEW .................................................................................................................................... 23 FIGURE 13, Current Digitizer Test Setup ............................................................................................. 23 

Module Setup .......................................................................................................................................... 23 

FIGURE 14, Adjustment and Jumper Locations .................................................................................. 24 

Trimming the Internal Offset Voltages ................................................................................................... 24 

FIGURE 15, Voltage Reference Setup .................................................................................................. 25 

Limit Adjustments ................................................................................................................................... 25 

Range Calibration / Negative .................................................................................................................. 26 

Range Calibration / Positive .................................................................................................................... 26 

CALIBRATION CHART ............................................................................................................................................ 27 FIGURE 16, Digitizer Calibration Chart ................................................................................................ 27 

PULSE CHARGE CONVERSION TEST .................................................................................................................. 28 

4  

FIGURE 17, Pulse Charge Test Setup ................................................................................................... 28 

RESPONSE TO PULSE CHARGES ............................................................................................................... 29 

FIGURE 18, Pulse Charge Response of the Digitizer II ......................................................................... 29 

SPECIFICATIONS ..................................................................................................................................................... 29 FIGURE 19, Electrometer Section Internal View, Parts Values Added ................................................ 30 

FIGURE 20, Digitizer Internal View, Parts Values Added .................................................................... 31 

References: .................................................................................................................................................................. 32  

 

   

5  

DESIGN OVERVIEW 

Module Description 

The Current Digitizer II is a new version of a classic single width NIM module Digitizer used for beam intensity measurement. It does this by converting an electrical charge from a beam intensity detector such as an ion chamber or Secondary Emission Monitor into a pulse train with the number of pulses proportional to the amount of charge. The Digitizer, when used with a CAMAC scaler module to count the number of pulses, forms a wide dynamic range analog to digital converter. In normal service the Digitizer is installed in a NIM crate and obtains power from the crate. It requires +24 volts at 140 milliamps and ‐24 volts at 100 milliamps.  The Digitizer takes advantage of newer technology to achieve a wider dynamic range, better stability and higher accuracy than was available in the late 1900’s when the first Digitizer version was designed. It has some new features to make testing and troubleshooting easier such as; manual START and STOP gate control buttons, timing pulse and gate status indicators on the gate control section and a built‐in visual output pulse indicator. Another improvement is the ability to convert either negative or positive currents to pulses for greater flexibility in detector implementation.  The primary pulse output signal is a NIM level pulse train that is applied to a totalizing counter. The counter is cleared immediately before the beam spill commences. The counting continues over the beam spill until all of the charge has been converted and the count at the end of spill represents an integration of the total amount of beam flux that passed through the beam intensity detector. A second TTL level pulse output is available for testing and/or counters with TTL level inputs.  For convenience, a gate control circuit is included in the module to control the INHIBIT (gating) and resetting of a Jorway CAMAC quad scaler module. The gate circuit is controlled by Fermi standard START – STOP timing event TTL level pulses from a CAMAC type C1091, 177/377 or equivalent timing module. Other CAMAC scalers such as the type 333 that use an internal gate control derived directly from the event clock do not use the gate circuit. In these installations the START and STOP timing is entirely unnecessary for the function of the Digitizer and may be omitted.    

6  

  

 FIGURE 1, Current Digitizer II Panel 

7  

Front Panel 

The front panel connections and indicators are described below. Refer to the Figure 1 reference numbers for the individual locations of the signal ports and indicators.  

1. CURRENT IN Input connector 

At the top of the front panel is the CURRENT IN BNC connector. The detector current signal to be digitized is connected here.  

2‐3. Charge Polarity Indicators 

Below the input connector are two columns of STATUS indicator lights. The two indicators at the top of the columns report the polarity that the Digitizer is programmed to accept. POSITIVE CURRENT indicates that the Digitizer will accept positive charges. NEGATIVE CURRENT indicates that the Digitizer will accept negative charges. The charge polarity is programmed by installing shunts inside the module on the appropriate pins to configure the circuit and the status indication.  

4‐5. DC Power Status Indicators 

The second row of indicators verify that the +24 and ‐24 volts DC power is applied.  

6‐7. Gate Status Indicators 

In the left column the third and fourth indicators from the top report the status of the gate, either GATE OPEN allowing pulses to be counted or GATE CLOSED inhibiting the counting.  

8‐9. Timing Pulse Indicators 

To the right of the Gate Status indicators are the timing pulse indicators. The START indicator will flash when a START pulse has been detected. The STOP indicator will flash when a STOP pulse has been detected. In manual mode the START and STOP indicators will light whenever a manual START or STOP switch is pressed.  

10. PULSE OUT Indicator 

At the bottom of the left column is the PULSE OUT indicator that flashes with every output pulse. This aids in diagnostics and flash testing to verify the presence of pulses.  

11. Check Engine Indicator 

At the bottom of the right column is the CHECK ENGINE light. If the CHECK ENGINE light comes on ignore it and hope it’s not serious, just like you do with your car.  

12. Gate Generator START Input 

Immediately below the STATUS indicators is the START input connector for the gate generator. A START pulse sets the gate to the open condition to enable the scaler to count the pulses. The START pulse is a one microsecond high going TTL pulse normally supplied by a CAMAC timing pulse generator module. The START input is internally terminated with 100 ohms.  

8  

13. Gate Generator STOP Input 

Below the START input is the STOP input connector for the gate generator. A STOP pulse sets the gate to the closed condition to disable the scaler from counting pulses. The STOP pulse is a one microsecond high going TTL pulse normally supplied by a CAMAC timing pulse generator module. The STOP input is internally terminated with 100 ohms.  

14. RESET OUT 

The third connector in the column is the RESET OUT. The RESET OUT is connected to the RESET input of the Jorway CAMAC scaler module. The RESET is a normally high, low going one microsecond wide TTL pulse that resets the counters. The RESET is an inverted START pulse and therefore clears the counters at the same time that the gate opens. Leaving the RESET input on the scaler module unconnected defaults to a not reset condition.  

15. INHIBIT OUT 

The fourth connector, INHIBIT OUT, is NIM level and connected to the INHIBIT input of the Jorway CAMAC Scaler module. The INHIBIT, also called a gate signal, is controlled by the START and STOP timing pulses. It goes to a NIM logic 0 (zero milliamps) on reception of a START pulse to allow counting and a NIM logic 1 (‐16 milliamps) with a STOP pulse to inhibit counting. Leaving the INHIBIT input on the scaler module unconnected defaults to counting enabled.  

16. Manual START pushbutton 

The START pushbutton allows the operator to manually open the gate for testing and troubleshooting. It overrides any timing pulses.  

17. Manual STOP pushbutton 

The STOP pushbutton allows the operator to manually close the gate for testing and troubleshooting. It overrides any timing pulses.  

18. Digitizer UNGATED PULSE OUT (NIM) 

At the bottom of the panel are three connectors. The first one is the NIM level pulse train output that is connected to the scaler count input. The pulses are nominal 3.5 microsecond constant width of varying frequency from zero to a maximum of 100 KHz depending on the charge input.  They are NIM level where logic 1 = ‐16 milliamps pulse present and logic 0 = zero milliamps pulse absent into a 50 ohm load. The status of the gate has no effect on the PULSE OUT.  

19. Digitizer UNGATED PULSE OUT (TTL) 

The second connector is the TTL level pulse train output for diagnostics or TTL input counters. The pulses are 3.5 microsecond constant width of varying frequency from zero to a maximum of 100 KHz depending on the charge input.  They are TTL level, +4.5 volts pulse present, and 0 volts pulse absent. The status of the gate has no effect on the PULSE OUT.  

20. ANALOG SAMPLE OUT 

The ANALOG SAMPLE output is a buffered analog voltage in the range of ±10 volts representing the current into the electrometer amplifier. This is used for troubleshooting and evaluation of the detector output charge and noise problems. 

9  

Circuit Overview 

 

FIGURE 2, Current Digitizer II Schematic Diagram 

 The Current Digitizer circuit shown in Figure 2 and diagrammed in Figure 3 accumulates the charge from an ion chamber or secondary emission beam intensity detector and converts the value of that charge to a pulse train having a peak frequency and number of pulses directly proportional to the amount of charge. There are three primary parts to the Digitizer circuit, the input electrometer amplifier, the voltage to frequency converter and the TTL to NIM level converter. Other associated circuits included in the NIM module are used to generate a counting gate and to display the output pulses and other indicators for diagnostic purposes.  

  

FIGURE 3, Digitizer Module Block Diagram 

 

10  

The electrometer reads the charge from the detector that is deposited in a capacitor during the beam spill. The charge on the capacitor is drawn down and converted to a voltage. The voltage is then converted to a pulse train by the voltage to frequency converter. The output from the voltage to frequency converter is converted from TTL to NIM levels compatible with most CAMAC scaler modules. The scaler module counts the pulses and the total count represents the integrated beam intensity.   

Electrometer Charge to Voltage Amplifier 

The electrometer amplifier is an Analog Devices AD549 monolithic integrated circuit Ultra Low Input Bias Current Operational Amplifier. The AD549 has an input bias of typically 75 femtoamps to maintain a negligible contribution of the bias to the measured signal and is packaged in a grounded metal can to minimize electromagnetic interference.1  The capacitor on the signal input absorbs and stores the charge developed in the detector. The resulting voltage on the capacitor (V) is equal to the charge in coulombs (Q) divided by the value of the capacitance in farads (C).  

V=Q/C  For the normal range of beam intensity this voltage should be in the range of microvolts to about a volt. The electrometer draws the deposited charge from the capacitor through the input resistor into a virtual ground point at the inverting input. The virtual ground is normally maintained at zero volts by a current provided through the 50 megohm electrometer feedback resistor equal to the input current but opposite in polarity such that the sum of currents of the virtual ground node at pin 2 of the AD549 is zero.  The input capacitor performs several functions. First, it collects and stores the charge from the ion chamber or SEM detector allowing the electrometer to draw it down over time and report all of the charge. Second, it maintains the voltage on the input to the electrometer at a reasonable value to prevent damage and greatly improve the dynamic range on the upper end. Third, it provides a low impedance AC path to ground for noise and hum.  The input capacitor must be a type with minimal dielectric absorption such as polypropylene or Teflon™ in order to minimize retention of part of the charge. The value of the input capacitor must be chosen taking into account several factors. Because you are measuring total charge and not voltage, the value of the input capacitor has no effect whatsoever on the overall charge to pulse output conversion factor. Ideally the total number of pulses is the same for any value of capacitor, only the rate at which the pulses are delivered changes.  A smaller value capacitor reaches a higher voltage across it with a given value of charge. A smaller input capacitor increases the peak output frequency for a given charge and reads out the charge over a shorter period of time to completion. This improves the low end sensitivity for very small charges because for very small voltages the voltage to frequency converter is very inefficient and below a threshold will not generate pulses at all. The disadvantage is that higher voltages encourage higher leakage currents inside and around the capacitor and will cause the electrometer to saturate with smaller values of charge. For very large charges the voltage could become excessively large damaging the electrometer.  A small value of capacitance also requires a high value of input resistor to optimize 

11  

the time constant and the voltage gain of the electrometer to keep it in the optimum window of high to low charge measurement.  A larger value of capacitor lowers the voltage developed with a given charge promoting lower leakage and a better margin of safety for excessive amounts of charge.  This necessitates a lower value of input resistor to maintain the desired time constant and provide higher voltage gain on the electrometer. A larger input capacitor lowers the peak output frequency for a given charge and reads out the charge over a longer time to completion. This improves the upper level overload performance but at the expense of the loss of sensitivity at very low levels of charge. Very large capacitance keeps the input voltages very low but requires a very small value of input resistor increasing the voltage gain of the electrometer and inviting noise and instability problems. Large value capacitors are also physically large and are difficult to place.  As charge is deposited to the input capacitor the electrometer draws it out and converts the value of charge to a voltage. The output voltage of the electrometer is directly proportional to the remaining charge on the capacitor and thus follows a decaying exponential conforming to the 2.0 second RC time constant of the 2 microfarad input capacitor and 1 megohm input resistor.  Since an ion chamber or SEM is essentially an infinite impedance current source, and you are measuring charge flowing into a virtual ground and not voltage, the value of the input resistor is not a factor in the ultimate charge to voltage conversion gain from the detector. The primary effect that the value of the input resistance has is to govern the rate at which the charge is removed from the input capacitor and reported. Secondarily it sets the voltage gain of the electrometer. If the gain is very high this can become a problem because the input becomes susceptible to noise pickup and oscillation. The value of the resistor was chosen in conjunction with the value of the input capacitor to provide the 2.0 second time constant at a gain that does not promote noise pickup.  The input current‐to‐voltage conversion gain is determined by the 50 Meg feedback resistor. The voltage drop developed across this resistor is .05 volts per nanoamp. This translates to a conversion factor of 10 volts out for 200 nanoamps of current into the virtual ground node at the inverting input. The 10 picofarad capacitor shunting the feedback resistor rolls off the high frequency gain to suppress noise pickup and promote stability. There is a matching 1.00 Meg resistor from the non‐inverting input to ground. This is to reference the non‐inverting input to ground potential and balance the bias current voltage drops to minimize offset.  The feedback resistor is very sensitive to vibration due to charge induced by changes in capacitance to ground and internal stresses. The Caddock CHR surface mount resistor is specifically designed for electrometer service with ion chambers and other charge amplifier applications. I used these in the prototype test and they were considerably less sensitive to vibration than leaded resistors.  The reporting rate of the Digitizer circuit is limited to 100 KHz. In order to prevent overscaling the input of the voltage to frequency converter and losing data, the supply voltages for the electrometer amplifier are such that the amplifier’s output voltage is limited to ±10 volts representing the maximum 100 KHz pulse per second rate that the voltage to frequency converter can accept. Limiting the electrometer output voltage also limits the rate at which the electrometer can draw down charge from the input capacitor. This holds back the rate of charge reduction on the capacitor to the rate at which the voltage to frequency converter can report it and none of the excess charge is lost. As the charge is depleted it 

12  

eventually goes below the 100 KHz limit and the pulse frequency resumes the normal rate following the value of the remaining charge until all of the charge has been converted and reported.  This limit must be imposed inside the electrometer feedback loop on the rate at which the charge is drawn from the capacitor. If the limit were placed at any other part of the circuit, for example at the voltage to frequency conversion, the charge would continue to be drawn from the capacitor at a rate higher than is being reported causing the excess charge to be unreported. A voltage limiting circuit could be imposed on the output of the electrometer inside the feedback loop but this would add complication and additional parts count to the design. By limiting the supply voltages the electrometer is necessarily limited to the maximum rate with no additional components and only moderate effects to the performance unless severe overloads are encountered.   

Voltage to Frequency Converter 

The voltage to frequency converter follows the input amplifier. I selected an Analog Devices AD650KNZ precision monolithic “Voltage‐to‐Frequency and Frequency‐to‐Voltage Converter”. I had used an AD537KD in the earlier Digitizer design. The AD537 was adequate at the time and worked well but the newer AD650 is easier to calibrate, has better sensitivity, better linearity and is about $70 less expensive than the roughly $90 AD537. The AD650 also does not have a rather annoying habit of the AD537 to sputter spurious output pulses at close to zero signal input levels2. Unlike the AD537, which is based on the Current Steering V/F circuit, the AD650 is a Charge Balance circuit3.  The AD650 datasheet claims a useful dynamic range of six decades representing an input voltage range of 10 microvolts to 10 volts. In practice the dynamic range is a little less due to offsets and drift from the electrometer.  

 FIGURE 4, AD650 Internal Functions 

 Figure 4 illustrates the internal block diagram of the AD650. It consists of four major parts: an operational amplifier, a voltage comparator, a fixed duration one‐shot multivibrator and a constant current sink. The operational amplifier is configured as an integrator with a capacitor (CINT) from the inverting input to the output. The output of the operational amplifier is connected to a comparator which fires the one‐shot. The integrator integrates the input current and when the output voltage reaches the threshold voltage of the comparator, the comparator changes state firing the one shot. The one‐shot operates a switch on the constant current sink that removes a precise amount of charge from the integrator reducing the voltage back below the comparator threshold and the cycle starts over4.  

13  

The input current continues to be integrated even as the precision charge is subtracted out providing a continuous uninterrupted collection of the measured charge. The more current that is applied to the V/F circuit the more quickly the integrator voltage reaches the comparator threshold and the more rapid is the cycle time.  Functionally the circuit works like a rain barrel and a bucket. The rain barrel is supplied with a continuous inflow of water representing the input current. The rising water level in the barrel represents the integrator storing up the charge causing the output voltage to rise. When the water level reaches the top of the barrel representing the point where the comparator trips the one‐shot, the bucket dips into the barrel and removes a single bucketful of water representing the one‐shot switching a precise amount of discharge current out of the integrator. The faster the water pours into the barrel the more often the bucket must dip it out in order to prevent the barrel from overflowing. More dips per minute represents a higher frequency output from the V/F with more current in.  Calculation of the associated component values for this circuit is somewhat complicated. The value of the capacitor controlling the one‐shot time duration (COS), the input resistance to the integrator (RIN) and the integration capacitor (CINT) are all interdependent. Analog Devices provides a web based component selection calculator for the AD6505. The user defined values for maximum input voltage, maximum frequency and one‐shot timing capacitor are entered and the other two values for the input resistance and integration capacitor are returned. Guidance for the selection of the one‐shot timing capacitor is given in the AD650 datasheet and is constrained to the limits of 50pF to 1000pF.4 I chose a value of 560pF for best linearity. Both the integration capacitor and the one‐shot timing capacitor must be a type with minimal dielectric absorption such as polystyrene, polypropylene or Teflon™. They do not have to be high precision values but should be as stable as possible with temperature and other conditions. The only other component value to be selected is the pull up resistor for the open collector Frequency Output to match whatever load the output is driving.  The output pulses of the V/F are fixed duration of 3.5 microseconds and variable repetition rate from less than one pulse per minute to 100,000 pulses per second. The pulse output is an open collector NPN transistor driver capable of sinking up to 8 milliamps at a maximum of 36 volts referenced to digital ground. I have it pulled up to +5 volts with a 1K resistor for typical TTL levels.  

Analog Sample Buffer 

The analog sample buffer is a unity gain non‐inverting amplifier included for testing purposes. It is often beneficial to be able to sample the analog voltage signal to evaluate noise problems or for troubleshooting and calibration without disturbing or loading the internal signal path.  

Gate Generator 

The gate generator is a simple S‐R flip flop made from SN74S00 NAND logic gates. The inputs of the NAND gates are buffered with SN7414 hex Schmitt trigger inverting buffers. The inputs of the buffers are terminated with 100 ohm resistors to ground and protected from overvoltage transients by silicon transient voltage suppressors. The status of the gate output is buffered through additional sections of the SN7414 buffer to drive LED indicators on the front panel.  

14  

TTL to NIM Level Conversion 

There are two SN75110 dual line drivers included in the module to translate the TTL levels to NIM. One is for the Jorway CAMAC scaler INHIBIT gate. The other converts the V/F converter output pulses from TTL to NIM levels for any type of CAMAC scaler requiring NIM input levels.  

Pulse Display Circuits 

There are three NE555 pulse stretcher circuits to drive the LED front panel status indicators. Two of them stretch the 1 microsecond START and STOP pulses to 50 milliseconds in order to make the pulses visible on the START and STOP LED indicators. The third one stretches the 3.5 microsecond pulse train for indication on the PULSE OUT LED indicator.  

DC Power Regulation 

DC power is internally regulated down to the various internal supply voltages from the NIM bin +‐24 volts DC. A set of four each three terminal fixed voltage regulators supply +15, ‐15, +5 and ‐5 volts DC. 

MODULE INSTALLATION 

Jorway Quad Scaler 

The current Digitizer is designed to form a complete analog to digital converter when installed in a system using CAMAC modules for timing control and scalers to count and totalize the pulse count. Figures 5 and 6 illustrate the connections for use with a Jorway quad scaler. The Jorway requires an external gate and reset control in order to count. Timing pulses sourced by a CAMAC timing module are applied to the gate inputs of the Digitizer. A START pulse opens the gate and resets the scaler to zero. A STOP pulse closes the gate to inhibit further counting. The START pulses are timed to reset the scaler and open the gate at the beginning of beam spill. The STOP pulses are timed to close the gate after the end of spill plus enough time to complete the charge conversion counting. There is no absolute requirement to close the gate after spill but doing so prevents spurious counting between spills.  The Digitizer section that converts the charge to a pulse train has no need for the timing pulses. They are only used in order to provide a gate and reset control signals for the Jorway quad scaler. For multiple Digitizer channels into one Jorway scaler, only one gate control is necessary. All four channels of the Jorway scaler are controlled by the single gate control. The additional Digitizers do not need any timing signals.  

 

FIGURE 5, System Block Diagram 

15  

 

FIGURE 6, Typical Installation With Jorway Scaler 

   

16  

CAMAC 333 Eight Channel Scaler 

Another type is the CAMAC 333 eight channel scaler. The 333 can either self‐decode the timing signals for each channel internally or it can be controlled by the application of external timing signals. In this installation no timing pulses are required for the Digitizer. Figure 7 shows the typical connections to a Digitizer for use with the CAMAC 333. The CAMAC 333 must be programmed to use NIM level input signals and to decode the appropriate timing signals depending on the beam spill timing. Contact the Accelerator Controls Group for additional information on the installation and use of a 333 module6.    

 

FIGURE 7, Digitizer with a CAMAC 333 Eight Channel Scaler 

   

17  

DETECTOR TYPES 

For low intensity beams in the range of about 1E7 to 1E11 protons the ion chamber intensity monitor is used. For higher intensity in the range of about 1E9 to 1E13 protons, the SEM is used.  

Ion Chamber 

The ion chamber consists of a set of very thin foils of sufficient size to intercept the entire cross section of the beam, about five inches square of active area. The foils in the old original ion chambers were .3 mil aluminum. There were seven foils of which three were signal and four were bias. The bias foils were internally connected together. The signal foils were brought out separately to individual connectors. On each end of the ion chamber was a 3 mil Kapton® window.  The newer type modular ion chamber, shown in Figure 8, uses five 1 mil conductive Kapton® films. There is one signal foil, two bias foils and two additional ground foils on the front and back for electrical shielding and gas retention.  

 FIGURE 8, Modular Ion Chamber Intensity Monitor 

 Figure 9 shows the internal structure of a new design modular ion chamber. A charge collecting foil is interleaved between two high voltage bias foils to collect the charge deposited by the particle beam in the gas between the foils. The inner volume of the chamber is filled with a special gas mixture, most commonly 80% Argon and 20% Carbon Dioxide. The gas is conducted into and out of the chamber by small tubes that penetrate the edges of the frame and open into the inner volume. The gas supply at a pressure from several inches of water (about 0.200 PSIG) to no more than 3 PSIG throttled through a local needle valve provides the flush gas through the detector. Proper back pressure is provided by a glass dip tube “bubbler” filled with vacuum pump oil to a depth of about a quarter of an inch above the end of the dip tube. The bubbler provides a constant back pressure for variations in gas flow. It will relieve pressure if the flow becomes excessive and provides a visual confirmation that gas is flowing and at what rate.  The absolute gas pressure and flow is not as important as ensuring that the chamber is completely filled with gas and no air is infiltrating. Usually the needle valve is adjusted for a flow of about one bubble per second which is sufficient to provide a fresh supply of gas and to prevent air influx.  

18  

As the particle beam passes through the gas fill in the detector it ionizes some of the gas molecules. The bias foils are maintained at a constant ‐800 volts. This sets up an internal electrostatic field that draws the negative charge produced toward the signal foil(s) where it is collected and transferred to the current Digitizer. As such the detector forms an essentially infinite impedance current source that delivers a charge directly proportional to the amount of ionizing radiation that passes through the space between the plates.     

 FIGURE 9, Modular Ion Chamber Assembly 

 

Secondary Emission Monitor 

The Secondary Emission Monitor shown in Figure 10 has an interleaved metallic foil construction similar to the ion chamber. The foils are typically silver coated aluminum of .3 mil thickness. There are two major differences between the ion chamber and the SEM intensity monitor. First, the foil assembly is mounted inside a stainless steel vacuum chamber and pumped with a small appendage VacIon pump to maintain a high vacuum on the foils. The SEM has a total of 21 interleaved foils, 10 signal and 11 bias.  Second, the signal in the SEM is produced from the interaction of the surface of the foil with the particle beam liberating secondary electrons. The bias foils are maintained at a constant ‐800 volts. Secondary electrons ejected from the surface of the negatively charged bias foils are collected on the signal foils and the total charge collected is proportional to the number of particles that passed though.  

19  

 FIGURE 10, SEM Internal Construction 

TYPICAL DETECTOR INSTALLATION 

For beam intensity measurement an ion chamber is used for low intensity beams and a Secondary Emission Monitor detector is used for high intensity beams. The detector is installed in the beamline in order to intercept the particle beam and provide a quantity of charge proportional to the total amount of beam that passed through it. A high voltage bias power supply, either rack mounted or NIM based, provides the necessary bias voltage to the detector. Figure 11 shows the typical wiring for an Ion Chamber detector.   

 FIGURE 11, Modular Ion Chamber Wiring 

 Both the Ion Chamber and the SEM detectors must be electrically isolated from ground at the beamline location to prevent ground current and noise. For the SEM, wrap it in Kapton® film so that the metal shell is electrically isolated from the mounting frame. Make sure that the metal shell of the BNC and SHV connectors do not touch any grounded metal. For the ion chamber the old round types can be wrapped in Kapton® or mounted on an insulating material cradle such as Micarta® or G‐10 composite. The prototypes of the new modular ion chambers have aluminum end plates that must be isolated from 

20  

ground. The production versions are constructed of G‐10 composite and no special precautions are necessary to isolate them.  Both the ion chamber and the SEM have a physical configuration similar to a biased condenser microphone and as such they are sensitive to mechanical vibration. They must be isolated and damped with vibration absorbent material if the area where they are installed is subject to vibration or loud noise from vacuum pumps or other mechanical equipment.   Figure 12 shows the typical wiring for a SEM.  

 FIGURE 12, SEM Wiring 

 

ACNET SCALE FACTORS 

The scale factors for reading out the beam intensity in Protons on an ACNET console vary depending on the type of detector used. The ACNET scale factor is determined by dividing the detector conversion factor in Protons per Nanocoulomb by the Digitizer scale factor of Counts per Nanocoulomb. The result is in Protons per Count. An example for an ion chamber is shown below.  Ion Chamber conversion factor: 4.700E+07 Protons per Nanocoulomb Digitizer scale factor: 500 Counts per Nanocoulomb  

4.700E+07 / 500 = 9.400E+04 Protons per Count  Unless it is known, the detector scale factor is typically determined experimentally using a foil exposure test. The detector is installed and assigned a best guess ACNET scale factor. The foil exposure test is done by placing a special copper foil in the beam right in front of the detector and exposing it to the 

21  

beam over a period of time. The total integrated intensity of the beam exposure and the amount of time is measured and recorded by two independent means. The measurement result of the detector being tested and preferably an independent known accurate means such as a toroid intensity monitor are recorded and logged over the period of exposure. Immediately after the exposure the foil is retrieved and measured for residual activation at the Radiation Physics lab. They determine by their measurements and calculations what the integrated intensity was. By comparing the foil exposure test results with the logged values that the detector reported any differences can be calculated and the ACNET scale factor corrected to match. Once the ACNET scale factor agrees with the measurement the detector conversion factor is calculated by multiplying the corrected ACNET scale factor by the Digitizer scale factor.  Another means is to place the detector to be calibrated in front of a known detector such as another ion chamber or a scintillation counter and adjusting the ACNET scale factor such that the readings match.  There is an Excel workbook with the details of all the intensity monitor installations. The detector conversion factors, Digitizer scale factors and ARCNET scale factors are shown for each installation. Typically the SEM detectors show some variance in sensitivity due to age and radiation exposure. 

   

22  

   

23  

CALIBRATION OVERVIEW 

The electrometer circuit is calibrated in steady state using the setup shown in Figure 13. A precision voltage reference, such as a Datel model DVC 8500 or a Fluke 343A DC Voltage Calibrator, with a 100 Meg resistor in series simulates the current source characteristics of a typical secondary emission monitor or gas filled ion chamber at a value of 10 nanoamps per volt. Various voltages are applied and the frequency output of the V/F is adjusted to a specified frequency output of 500 Hz per nanoamp over the useable range of input current.  Power for the module is taken from a NIM bin using a test extension cable to connect the module to one of the bin connectors. The most convenient source is a BNC PortaNIM bin. Remove the top cover of the module to expose the calibration adjustments and shunt locations. Hold off connecting the 100 Meg resistor until after the zero adjustment, described below, has been completed. Connect a frequency counter to the UNGATED PULSE OUT (TTL) output. A digital voltmeter will be used to measure and adjust the electrometer zero and voltage limits. The Agilent (AKA Hewlett‐Packard, AKA Keysight or whatever they are currently calling themselves) 34410A digital multimeter is recommended primarily because of the voltage averaging feature which is vital for making the electrometer zero adjustment down to the microvolt level. 

 

FIGURE 13, Current Digitizer Test Setup 

Module Setup 

Refer to Figure 14 for the locations of shunt blocks and calibration adjustments. Note the bright red shunts on the jumper pins. For Ion chambers and SEMs the usual setup is for negative current. Verify that shunt blocks are installed in the following locations: J2, J3 and J5 all in the N positions. For other detectors using positive current verify that shunt blocks are installed on the J2, J3 and J5 jumper pins in the P positions. Verify that no shunt block is installed on J1.   

24  

 

FIGURE 14, Adjustment and Jumper Locations 

 

Trimming the Internal Offset Voltages 

Refer to Figure 14 for the location of the test points and adjustments. The figure shows the three Digitizer polarity jumper shunts J2, J3 and J5 set up for negative current.  1. Apply power to the module and allow it to warm up for ten minutes.  2. Rotate the –LIM and +LIM adjustments fully clockwise 20 turns.  3. Temporarily short the input of the electrometer to ground at the BNC connector for ten seconds. Disconnect the short from the center conductor first then disconnect the ground. Do not leave the ground shunt on the electrometer for the zero adjustment.  4. Set up an Agilent model 34410A digital multimeter to read STATS average DC volts on the secondary display. Refer to the user manual for information on how to set this up.  5. Connect the meter negative lead to pin 11 of U7, the AD650 V/F chip. Measure the voltage at pin 3 of U11 the OP177 analog buffer.  6. Clear the average reading stats on the meter.  7. Adjust R25, the electrometer ZERO control, for a null reading of less than ±50 microvolts on the AVG display.  Note: Because of the large capacitor on the input to the electrometer the offset zero adjustment is very rubbery. Any change tends to return in the direction of the previous value. Repeated adjustments eventually increment the value to zero where it remains.  

25  

8. Allow five minutes then clear the average stats reading again and verify that the zero remains within limits.  9. Allow five minutes and repeat steps 6 and 7 once more.  10. Observe the PULSE OUT indicator and adjust R6, the OFFSET adjustment, until the indicator begins to blink then back it off until it just stops blinking.   

  

FIGURE 15, Voltage Reference Setup 

 

Limit Adjustments 

11. Refer to Figure 14 and connect the meter negative lead to pin 11 of U7, the AD650 V/F chip. Measure the voltage at pin 3 of U11 the OP177 analog buffer.  12. Connect a negative reference voltage directly to the CURRENT IN connector on the Digitizer. Do not use the 100 Meg series resistor for this test.  13. Refer to Figure 15 for reference setup. For the Datel reference set the output for ‐0.250 volts. For the Fluke install the ground strap from the positive output to the ground post and plug in the dual banana cable with the negative pin to the positive post. Set the output voltage to 0.250000 volts on the 10 volt scale.  14. Adjust the +LIM control for a reading of +10.200 volts.  15. Reverse the polarity of the voltage reference to positive. 

26  

16. Adjust the –LIM control for a reading of ‐10.200 volts.  17. Disconnect the reference cable from the CURRENT IN connector. 

Range Calibration / Negative 

18. Refer to Figure 14 and verify that shunt blocks are installed on the J2, J3 and J5 jumper pins in the N positions. Verify that no shunt block is installed on J1.  19. Connect the 100 Meg series resistor box to the CURRENT IN connector and the voltage reference to the resistor box as shown in Figure 13.   20. Connect the frequency counter to the UNGATED PULSE OUT (TTL) front panel connector.  21. Refer to Figure 15 for reference setup. For the Datel reference set the output for ‐10.000 volts. For the Fluke install the ground strap from the positive output to the ground post and plug in the banana cable with the negative pin to the positive post. Set the output voltage to 10.000000 volts on the 10 volt scale.  22. Measure the output frequency and allow enough time for the frequency to settle to its final value.  23. Adjust R12, the SCALE control, for a reading of 50.00 KHz.  24. Set the voltage reference to 0.0100 volts.  25. Allow enough time for the frequency to settle to its final value.  26. Adjust R6, the OFFSET control, for a reading of 50 Hz.  27. Repeat steps 21 through 26 until no further improvement is noted. 

Range Calibration / Positive 

28. Refer to Figure 14 and verify that shunt blocks are installed on the J2, J3 and J5 jumper pins in the P positions. Verify that no shunt block is installed on J1.  29. Connect the 100 Meg series resistor box to the CURRENT IN connector and the voltage reference to the resistor box as shown in Figure 13.   30. Connect the frequency counter to the UNGATED PULSE OUT (TTL) front panel connector.  31. Refer to Figure 15 for reference setup. For the Datel reference set the output for +10.000 volts. For the Fluke install the ground strap from the negative output to the ground post and plug in the banana cable with the positive pin to the positive post. Set the output voltage to 10.000000 volts on the 10 volt scale.  32. Measure the output frequency and allow enough time for the frequency to settle to its final value.  33. Adjust R12, the SCALE control, for a reading of 50.00 KHz.  

27  

34. Set the voltage reference to 0.0100 volts.  35. Allow enough time for the frequency to settle to its final value.  36. Adjust R6, the OFFSET control, for a reading of 50 Hz.  37. Repeat steps 31 through 36 until no further improvement is noted.  This completes the calibration procedure. Disconnect all cables, install the side cover and apply a calibration label to the side of the module indicating the calibration polarity, the date and the initials of the calibration technician.   

CALIBRATION CHART 

Figure 16 below shows the Digitizer output frequency for various test input voltages using a 100 Meg 

input resistor. It also shows the total number of counts resulting from various charge inputs. 

 

FIGURE 16, Digitizer Calibration Chart 

   

28  

PULSE CHARGE CONVERSION TEST 

The charge conversion test simulates a beam spill by dumping a known amount of charge into the 

Digitizer input and verifying that the pulse count accurately reflects the amount of charge that was 

deposited. 

 

FIGURE 17, Pulse Charge Test Setup 

 

To assess the accuracy of the circuit for converting a fixed amount of stored charge into a digital value 

the circuit in Figure 17 is used. A 0.1 microfarad polypropylene capacitor is connected to a Fluke model 

343A DC Voltage Calibrator and allowed to charge. A known amount of charge is stored in the capacitor 

using the formula: 

Q=C*V 

Where Q is the charge in Coulombs, C is the capacity in Farads and V is the voltage in volts. The input of 

the electrometer is open while the capacitor charges. To perform the measurement the charged 

capacitor is switched off of the reference supply and switched on to the electrometer input. The charge 

stored in the capacitor is removed by the electrometer and counted out by the voltage to frequency 

converter. The pulse count is totaled as the capacitor discharges. When the capacitor voltage reaches 

zero the total counts are recorded and the test is repeated with a new value of charge. 

The chart in Figure 18 shows the pulse charge readings using the Figure 17 test circuit. This test is a good 

approximation of beam spill charge collection but not ideal, especially at the low end. The test applies 

the charge to be measured in nearly zero time by closing a switch. In actual service the charge builds up 

over the duration of beam spill which could be anywhere from microseconds to seconds. Even so it is a 

useful indicator of the relative accuracy of the Digitizer to various charge levels. 

29  

RESPONSE TO PULSE CHARGES 

 

FIGURE 18, Pulse Charge Response of the Digitizer II 

 

SPECIFICATIONS 

Power Requirements: +24 volts DC at 140 milliamperes, ‐24 volts DC at 100 milliamperes Frequency Range: 0 to 100 KHz for 0 to 200 nanoamperes steady state Scale Factor: 500 pulses per nanocoulomb Input Current: 0 to 200 nanoamperes Input Charge Range: 0.4 to 5000 nanocoulombs at 10% accuracy limit Time Constant: 2 Seconds Accuracy: ±2% 2 nanocoulombs to 2000 nanocoulombs Start In: TTL, >2 volts = logic 1, <0.8 volts = logic 0 Stop In: TTL, >2 volts = logic 1, <0.8 volts = logic 0 Reset Out: TTL 4 volts = logic 1, 0 volts = logic 0 Inhibit Out: NIM (into 50 ohms): ‐15 milliamperes = logic 1, 0 milliamperes = logic 0 Output Pulse Level: NIM (into 50 ohms): ‐15 milliamperes = logic 1, 0 milliamperes = logic 0 Output Pulse Level: TTL 4 volts = logic 1, 0 volts = logic 0 Output Analog Sample: 0 to ±10 volts = 0 to ±200 nanoamperes, load equal to or greater than 1K

30  

 FIGURE 19, Electrometer Section Internal View, Parts Values Added 

   

31  

 

 FIGURE 20, Digitizer Internal View, Parts Values Added 

   

32  

References: 

1. Datasheet “Analog Devices Ultralow Input Bias Current Operational Amplifier AD549” Revision H, 2008  2. Datasheet “Analog Devices Integrated Circuit Voltage to Frequency Converter AD537”, Revision C, undated  3. Analog Devices MT‐028 Tutorial, “Voltage‐to‐Frequency Converters” Walt Kester, James Bryant, 2009 http://www.analog.com/static/imported‐files/tutorials/MT‐028.pdf  4. Datasheet “Analog Devices Voltage to Frequency and Frequency to Voltage Converter AD650”, Revision E, 2013  5. AD650 Component Selection Calculator:    http://designtools.analog.com/dt/v2f/ad650.html  6. CAMAC type 333 Module:  http://www‐bd.fnal.gov/controls/camac_modules/c333.htm