Università degli studi “Federico II” Facoltà di Scienze MM.FF.NN Corso di laurea in Fisica
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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.
12 Maggio 200412 Maggio 2004 Tesi di laurea in FisicaTesi di laurea in Fisica 33
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).
12 Maggio 200412 Maggio 2004 Tesi di laurea in FisicaTesi di laurea in Fisica 44
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.
12 Maggio 200412 Maggio 2004 Tesi di laurea in FisicaTesi di laurea in Fisica 55
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
12 Maggio 200412 Maggio 2004 Tesi di laurea in FisicaTesi di laurea in Fisica 66
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).
12 Maggio 200412 Maggio 2004 Tesi di laurea in FisicaTesi di laurea in Fisica 77
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.
12 Maggio 200412 Maggio 2004 Tesi di laurea in FisicaTesi di laurea in Fisica 88
Organizzazione del DAQOrganizzazione del DAQ
Buffers
L R
To Event Builder
DAEDALUS
VME
12 Maggio 200412 Maggio 2004 Tesi di laurea in FisicaTesi di laurea in Fisica 99
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
12 Maggio 200412 Maggio 2004 Tesi di laurea in FisicaTesi di laurea in Fisica 1010
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.
12 Maggio 200412 Maggio 2004 Tesi di laurea in FisicaTesi di laurea in Fisica 1111
Segmentazione e SelettivitàSegmentazione e Selettività
Sciame elettromagnetico Muone
Elettroni di bassa energia
12 Maggio 200412 Maggio 2004 Tesi di laurea in FisicaTesi di laurea in Fisica 1212
Definizione di pixelDefinizione di pixel
12 Maggio 200412 Maggio 2004 Tesi di laurea in FisicaTesi di laurea in Fisica 1313
Trigger Globali e LocaliTrigger Globali e Locali
Alta energia rilasciata
(atmosferici, fascio) → trigger globale;
Bassa energia rilasciata
(solari, supernovae) → trigger locale.
12 Maggio 200412 Maggio 2004 Tesi di laurea in FisicaTesi di laurea in Fisica 1414
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.
12 Maggio 200412 Maggio 2004 Tesi di laurea in FisicaTesi di laurea in Fisica 1515
L’algoritmo di generazione del triggerL’algoritmo di generazione del trigger
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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.
12 Maggio 200412 Maggio 2004 Tesi di laurea in FisicaTesi di laurea in Fisica 1717
ComparatoriInterfaccia RS232DACFPGAOscillatore a 10 MHzAlimentazioni18 ingressiUscite di trigger
Il prototipo della LTCUIl prototipo della LTCU
12 Maggio 200412 Maggio 2004 Tesi di laurea in FisicaTesi di laurea in Fisica 1818
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
12 Maggio 200412 Maggio 2004 Tesi di laurea in FisicaTesi di laurea in Fisica 1919
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)
12 Maggio 200412 Maggio 2004 Tesi di laurea in FisicaTesi di laurea in Fisica 2020
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
12 Maggio 200412 Maggio 2004 Tesi di laurea in FisicaTesi di laurea in Fisica 2121
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.
12 Maggio 200412 Maggio 2004 Tesi di laurea in FisicaTesi di laurea in Fisica 2222
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
12 Maggio 200412 Maggio 2004 Tesi di laurea in FisicaTesi di laurea in Fisica 2323
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
12 Maggio 200412 Maggio 2004 Tesi di laurea in FisicaTesi di laurea in Fisica 2424
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.
12 Maggio 200412 Maggio 2004 Tesi di laurea in FisicaTesi di laurea in Fisica 2929
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;
12 Maggio 200412 Maggio 2004 Tesi di laurea in FisicaTesi di laurea in Fisica 3030
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.