università degli studi “federico ii” facoltà di scienze mm.ff.nn corso di laurea in fisica

Disegno del sistema Disegno del sistema generale di trigger dell’esperimento ICARUS, generale di trigger dell’esperimento ICARUS,

progettazione e realizzazione della scheda di progettazione e realizzazione della scheda di primo livelloprimo livello

Università degli studi “Federico II”Università degli studi “Federico II”Facoltà di Scienze MM.FF.NNFacoltà di Scienze MM.FF.NN

Corso di laurea in FisicaCorso di laurea in Fisica

Candidato:Candidato:

Maurizio Della PietraMaurizio Della Pietra

matr. 60/509matr. 60/509

Relatori:Relatori:

Dott. G. FiorilloDott. G. Fiorillo

Dott. A. EreditatoDott. A. Ereditato

12 Maggio 200412 Maggio 2004 Tesi di laurea in FisicaTesi di laurea in Fisica 22

SommarioSommario

ICARUS, gli obiettivi fisici e il rivelatore; Il sistema elettronico di trigger; Il prototipo della Local Trigger Control

Unit; Conclusioni.


Il progetto ICARUSIl progetto ICARUS

Il programma di ricerca si basa su due linee principali: oscillazione di neutrino

(neutrini solari, atmosferici, da supernova, dal fascio CNGS);

decadimento del protone.

ICARUS (Imaging Cosmic And Rare Undergroud Signal) è un progetto basato sulla realizzazione di una TPC ad Argon liquido di grande massa per la ricerca di eventi rari, in fase d’installazione presso i laboratori sotterranei del Gran Sasso (da 600 tonnellate a 3000 tonnellate).


ICARUS come osservatorio di ICARUS come osservatorio di neutrini cosmicineutrini cosmici

Neutrini solari prodotti dalle reazioni di fusione;

Neutrini atmosferici: decadimento di pioni (K, ) e dei mesoni ();

Neutrini di tutti e tre i sapori prodotti dall’esplosione di una supernova.


Eventi attesi in ICARUSEventi attesi in ICARUS

Neutrini solari: ~ 1000 eventi/anno @ E > 5 MeV;

Neutrini atmosferici: ~ 100 eventi/anno (GeV);

Neutrini da supernovae: ~ 200 eventi (10÷15 MeV) in 10 s circa per una esplosione che avviene ad una distanza di 32000 anni luce (10kpc) rilasciando un energia di 1053 erg.

Con una massa sensibile di 600 tonnellate


La tecnologia ICARUSLa tecnologia ICARUS Ionizzazione in Argon

Liquido; Alta mobilità elettronica; Alta purezza (< 1ppb O2

eq.); Ricostruzione

tridimensionale: Tre piani di fili; La terza dimensione è

ottenuta dal tempo di deriva (t0 dalla scintillazione in Argon).


Il rivelatore ICARUS T600Il rivelatore ICARUS T600

Numero di totale fili: 53248;

Orientazione dei fili: 0°, ± 60°;

Distanza di drift: 1.5 m;

Tempo di drift: 1 ms @ 0.5 kV/cm.


Organizzazione del DAQOrganizzazione del DAQ

Buffers

L R

To Event Builder

DAEDALUS

VME


Limiti di banda passante del DAQLimiti di banda passante del DAQ

Due buffer di front-end → 4096 campionamenti a buffer;

Un completo drift (1 ms) → 2500 campionamenti; Un crate (18 schede) → 2.88 MB per crate; Velocità download DAQ→ 2÷4 MB/s per crate;

Se il rate di eventi risulta maggiore di 2 Hz il DAQ non può garantire la presenza di almeno un buffer libero: viene introdotto circa 1s di tempo morto di acquisizione (stato di “busy” del sistema).

In seguito all’esplosione di una supernova si attendono circa 200 eventi in 10s


Gli obiettivi del sistema elettronico Gli obiettivi del sistema elettronico di triggerdi trigger

Migliorare le prestazioni dell’esperimento per l’acquisizione degli eventi di rari in particolare di quelli prodotti dall’esplosione di una supernova;

Analizzare l’attività e l’occupazione del rivelatore nel tempo in modo da individuare la tipologia degli eventi per facilitare l’analisi off-line dei dati.


Segmentazione e SelettivitàSegmentazione e Selettività

Sciame elettromagnetico Muone

Elettroni di bassa energia


Definizione di pixelDefinizione di pixel


Trigger Globali e LocaliTrigger Globali e Locali

Alta energia rilasciata

(atmosferici, fascio) → trigger globale;

Bassa energia rilasciata

(solari, supernovae) → trigger locale.


Schema generale di triggerSchema generale di trigger 1. LTCU:

discriminazione 18 ingressi, soglia di discriminazione indipendente per canale, due uscite di trigger;

2. TCU: coincidenze tra i segnali

delle LTCU, individuazione dei pixel, studio dell’evento, richiesta di trigger globale o locale;

3. Trigger Supervisor: gestione del sistema,

monitoraggio dello stato del DAQ, funzioni statistiche.

Lo schema si riferisce al caso in cui numero di pixel totali è pari a 80.


L’algoritmo di generazione del triggerL’algoritmo di generazione del trigger


Gli obiettivi del prototipo della Local Gli obiettivi del prototipo della Local Trigger Control UnitTrigger Control Unit

Operare la discriminazione in tensione dei segnali di somma analogica generati dall’elettronica di front-end;

Generare due proposte di trigger al livello successivo, una per il piano di Induzione II e una per il piano di Collezione;

Essere completamente pilotabile da remoto; Avere una procedura di test dei comparatori; Essere capace di monitorare il rate di trigger di

ogni ingresso per individuare possibili anomalie.


ComparatoriInterfaccia RS232DACFPGAOscillatore a 10 MHzAlimentazioni18 ingressiUscite di trigger

Il prototipo della LTCUIl prototipo della LTCU


Funzionalità della LTCUFunzionalità della LTCU Mascherare i canali

d’ingresso; Leggere le maschere; Impostare la tensione di

soglia; Monitorare il rate di trigger

canale per canale; Test comparatori; Lettura diretta uscita

comparatori.

Ogni funzionalità è pilotabile da remoto tramite l’interfaccia RS232


Il segnale di ingressoIl segnale di ingresso

• Modulazione a bassa frequenza (~ 60 KHz) baseline → filtro RC

• Soglia di discriminzione → 50 – 60 mV (4÷5 MeV)


I comandi per la comunicazione I comandi per la comunicazione con la LTCUcon la LTCU

Comando Control Word Da trasmettere Da ricevere

Write_Mk 00100000 3 Byte 0 Byte

Read_Mk 01100000 0 Byte 3 Byte

Write_DAC 00010000 2 Byte 0 Byte

T_Win 000010xx 0 Byte 0 Byte

Read_Cnt 01010000 1 Byte 1 Byte

Test_P 000001xx 0 Byte 0 Byte

Read_Ch 11000000 1 Byte 0 Byte

Ad ogni funzionalità è associato un comando, individuato univocamente da una parola di controllo di 1 byte


L’algoritmo di conteggio (I)L’algoritmo di conteggio (I)

18 contatori sincroni look-ahead a 8 bit → elevato utilizzo della FPGA (il 6% dei flip-flop disponibili);

Algoritmo di conteggio su RAM interna → 1 FF per canale (88% delle risorse risparmiate);

L’algoritmo: Riconosce le transizioni L→H, Genera gli indirizzi di memoria univocamente

associati ai canali, Somma il valore 1 al valore della locazione

individuata dall’indirizzo.


L’algoritmo di conteggio (II)L’algoritmo di conteggio (II) L’algoritmo funziona

correttamente; La fonte d’incertezza:

asincronicità del segnale rispetto alla finestra temporale;

Il conteggio può essere, al più, sottostimato di due unità.

• Segnale di ingresso: ampiezza ~300mV, durata ~2s, frequenza 100Hz.

• Finestra temporale: 1s

• Numero conteggi: 100

99.5 ± 0.6


Prestazioni in frequenza e Prestazioni in frequenza e occupazione della FPGAoccupazione della FPGA

Massima frequenza : 45.405 MHz (freq. di utilizzo 10 MHz);

18% FF

40% IOB

36% CLB


Il software di controllo per il Il software di controllo per il collaudocollaudo

• La LTCU è interfacciabile con qualsiasi pc in commercio tramite la porta COM.

• Il software di controllo, sviluppato in Labview, permette l’automatizzazione delle procedure di collaudo.


Conclusioni (I)Conclusioni (I) Il sistema elettronico di trigger progettato è

dotato delle seguenti proprietà:• Segmentazione: migliora l’acquisizione degli

eventi rari e riduce, ove possibile, la mole di dati da analizzare;

• Selettività: individua la tipologia dell’evento per facilitare l’analisi off-line;

• Modularità: la divisione in livelli permette l’espansione del sistema con il progressivo aumento della massa sensibile da 600 a 3000 tonnellate di Argon liquido;


Conclusioni (II)Conclusioni (II)

Il prototipo della Local Trigger Control Unit:• Opera correttamente la discriminazione dei

segnali di ingresso e la generazione delle proposte di trigger;

• Ogni sua funzionalità è pilotabile da remoto;• Il collaudo ha dimostrato che il prototipo

funziona come supposto in fase di progettazione.

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