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Universita degli Studi di NapoliFederico II

Facolta di Scienze MM.FF.NN.

Corso di Laurea in Fisica

Anno Accademico 2004-2005

Tesi di Laurea

Sviluppo e progettazionedellelettronica

di acquisizione per un sistema

di tempo di volo,

per esperimenti nello spazio.

Relatori:

Prof. Giancarlo BarbarinoDott. Giuseppe Osteria

Candidato:

Luca FiorilloMatr. 07/6288

Indice

Introduzione 2

1 I raggi cosmici 3

1.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2 Composizione e spettro dei raggi cosmici . . . . . . . . . . . . 4

1.3 Metodi sperimentali per la ricerca dei raggi cosmici . . . . . . 9

1.4 Origine dei raggi cosmici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.4.1 Raggi cosmici galattici . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.4.2 Raggi cosmici solari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.4.3 Raggi cosmici anomali o extragalattici . . . . . . . . . 13

1.5 Lantimateria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.5.1 Antiprotoni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.5.2 Positroni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.5.3 Antinuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2 Lesperimento PAMELA 21

2.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.2 Caratteristiche ed obiettivi dellesperimento . . . . . . . . . . 22

2.2.1 Le origini di PAMELA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.2.2 Obiettivi scientifici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.2.3 La missione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.3 Lapparato sperimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.3.1 Il sistema per la misura del tempo di volo . . . . . . . 28

2.3.2 Lo spettrometro magnetico . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.3.3 Il sistema di anticoincidenza . . . . . . . . . . . . . . . 32

I

II Indice

2.3.4 Il calorimetro ed il contatore di neutroni . . . . . . . . 33

2.3.5 Il contatore a scintillazione S4 . . . . . . . . . . . . . . 36

2.4 Grandezze misurabili con il sistema di tempo di volo . . . . . 39

2.4.1 La misura dellimpulso . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.4.2 La misura del tempo di volo . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.4.3 La carica elettrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3 Il sistema per la misura del tempo di volo 47

3.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.2 Lunita centrale di controllo di PAMELA . . . . . . . . . . . . 48

3.2.1 Il sistema PSCU di PAMELA . . . . . . . . . . . . . . 48

3.2.2 Il sistema I-DAQ di PAMELA . . . . . . . . . . . . . . 50

3.3 Il ToF in dettaglio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.3.1 I contatori a scintillazione . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.3.2 Il sistema di front-end . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.3.3 La scheda di trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.3.4 La scheda dsp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3.4 Il modello tecnologico o di terra del ToF . . . . . . . . . . . . 66

4 Il progetto del sistema di acquisizione 71

4.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.2 La trasmissione dei dati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.2.1 Codifica e decodifica data-strobe . . . . . . . . . . . . . 74

4.2.2 Lo standard lvds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

4.2.3 La scheda pci DIO-96 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.3 Linterfaccia I-DAQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

4.4 Implementazione della i-daq su dispositivo fpga . . . . . . . . 85

4.4.1 Sistema pc trigger/dsp . . . . . . . . . . . . . . . . 89

4.4.2 Sistema trigger/dsp pc . . . . . . . . . . . . . . . . 93

4.5 Progettazione del software per il personal computer . . . . . . 96

4.6 Cablaggio e collaudo del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

4.6.1 Cablaggio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

4.6.2 Collaudo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

Indice III

5 La calibrazione delle schede di front-end 107

5.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

5.2 La calibrazione delle soglie dei PMT . . . . . . . . . . . . . . 107

5.3 La calibrazione della sezione temporale . . . . . . . . . . . . . 109

5.4 La calibrazione della sezione di carica . . . . . . . . . . . . . . 114

Conclusioni 123

Bibliografia 131

Elenco delle figure 131

Introduzione

Il presente lavoro di tesi si inserisce nellambito dellesperimento PAMELA

e prevede la progettazione e la realizzazione di un dispositivo elettronico in

grado di interfacciare il modello di terra del sistema di tempo di volo, realiz-

zato dal gruppo di Napoli, ad un personal computer, in modo da consentire

di effettuare il controllo del sistema e lacquisizione dati.

La scopo di completare un sistema di terra, identico al modello di volo che

verra messo in orbita, e quello di verificare le diverse configurazioni di lavoro

del telescopio, in modo da ottenere indicazioni in tempo reale sul rendimento

e funzionalita, da utilizzare come parametri per il monitoraggio del sistema

gemello orbitante.

Lesperimento PAMELA (da a Payload for Antimatter Matter Explo-

ration and Lightnuclei Astrophisics), a cui hanno partecipato membri del

Dipartimento di Fisica dellUniversita di Napoli e della sezione locale dellIs-

tituto Nazionale di Fisica Nucleare, e parte del programma di cooperazione

italo-russo RIM (Russian Italian Mission).

Attualmente, il sistema di tempo di volo di terra e costituito da tre piani

di scintillatori, ciascuno avente rispettivamente 28, 8 e 12 fotomoltiplicatori,

6 schede di FRONT-END, ciascuna avente 8 canali, una scheda di DSP per

il processing dei dati ed una scheda di TRIGGER. Il mio lavoro di tesi e

consistito nel cablaggio complessivo del sistema e nella progettazione e real-

izzazione di una scheda elettronica, denominata I-DAQ, in grado di gestire

le schede di DSP e TRIGGER mediante personal computer per la lettura e

limmagazzinamento dei dati in memoria di massa.

Nel primo capitolo sara effettuata unintroduzione ai raggi cosmici ed

alla fisica solare, evidenziando linteresse che il loro studio ha rivestito e

1

2 Introduzione

riveste tuttora nella ricerca delle origini delluniverso. In particolare, saranno

illustrati i risultati delle misure, effettuati da precedenti esperimenti, sulla

componente di antimateria nei raggi cosmici e le loro implicazioni di carattere

teorico.

Il secondo capitolo sara dedicato alla descrizione delle caratteristiche del-

lesperimento PAMELA ed agli obiettivi scentifici che si intendono perseguire.

Dunque verra descritto lapparato sperimentale nelle sue generalita ed il

modo in cui il telescopio sara in grado di effettuare le misure.

Nel terzo capitolo verra analizzato in maggior dettaglio il sistema di tempo

di volo atto a misurare la velocita e la carica delle particelle. Verra introdotto

il modello di terra e seguira quindi una descrizione particolareggiata di tutti

i suoi componenti illustrando il protocollo di funzionamento.

Il quarto capitolo sara invece dedicato alla descrizione delle specifiche

tecnice delleletronica del sistema di volo introducendo cos le problematiche

progettuali della I-DAQ ed il modo in cui sono state affrontate e risolte.

Il quinto capitolo sara dedicato allillustrazione delle fasi di collaudo dei

sistemi elettronici ed in seguito verrano riportate le metodologie sperimentali

utilizzate per la calibrazione delle schade di front end.

Capitolo 1

I raggi cosmici

1.1 Introduzione

A partire dalla loro scoperta, nel primo decennio del 1900, i raggi cosmici

sono stati un importante mezzo di indagine nellambito della fisica subnucle-

are. Dalla loro osservazione a terra furono per esempio scoperti il positrone

(Anderson, 1933 [1]), il muone (Anderson e Neddermeyer, 1937 [2]) e il pione

(Powell e Occhialini, 1947 [3]).

Ancora oggi i raggi cosmici sono oggetto di studio. Essi infatti sono

costituiti da particelle che hanno attraversato il mezzo interstellare e possono

quindi fornire informazioni sulla loro origine, sui meccanismi di propagazione

e in ultima analisi sullevoluzione della Galassia.

Con lo scopo principale di studiare la componente di antimateria dei raggi

cosmici e stato concepito il progetto PAMELA che si avvale della esperienza

acquisita nei precedenti esperimenti su palloni (in particolare gli esperimenti

della serie MASS e CAPRICE) e in esperimenti prototipo su satellite (in

particolare quelli della serie NINA) per approfondire la conoscenza dei raggi

cosmici. Laspetto innovativo del progetto PAMELA consiste nel fatto che

un rivelatore di dimensioni macroscopiche e dalle elevate prestazioni venga

collocato su un satellite per misurare i raggi cosmici fuori dallatmosfera

durante un ampio intervallo di tempo (3 anni). Questo permettera di avere

dati con alta statistica in u

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