Sistemi di Acquisizione dati Grandezze fisiche e sensori Conversione analogico-digitale Elettronica nucleare e DAQ Un cenno all’analisi dati

Grandezze fisiche e sensori Trasduzione Grandezza fisica Misura Registrazione Elaborazione Un sensore è un sistema che converte una grandezza fisica da misurare in un segnale elettrico Per ogni grandezza fisica da misurare si sfruttano degli effetti fisici noti che la trasformino in una opportuna grandezza elettrica La caratteristica del sensore lega la grandezza elettrica in uscita alla grandezza da misurare

Un esempio di TRASDUTTORE L’occhio Cellule gangliari:trasduttori Da energia elettrica in energia chimica Coni e bastoncelli: misura della luminosità e del colore Elaborazione e Registrazione

Conversione analogico-digitale Segnale analogico Segnale digitale

Perché andare dal mondo analogico al mondo digitale? Uso del PC per fare un ulteriore processing del segnale I segnali digitali non sono sensibili al noise, crosstalk, interferenze… Per memorizzare le informazioni in modo permanente Il segnale però viene alterato! Il segnale e’ campionato a intervalli di tempo definiti – freq. campionamento L’ampiezza, continua, e’ codificata in un numero limitato di numeri - quantizzazione Tempo Codice binario 00001 00010 00011 00100 00101 …..

La digitizzazione modifica in modo sostanziale il segnale, e per ottimizzarla bisogna considerare sia gli aspetti di frequenza di campionamento che di quantizzazione di ampiezza Tempo Codice binario 00001 00010 00011 00100 00101 …..

La frequenza di campionamento deve essere scelta in maniera tale da - Ridurre al massimo la quantità di dati da memorizzare - Rendere il segnale campionato il più possibile “fedele” al segnale originale

Relazione tra numeri di bit e risoluzione Codice binario A = ampiezza massima Min. intervallo: LSB=A/2n n = numero di bit ….. 00101 Ex : 8 bits ADC, 1V ampiezza massima Risoluzione (LSB) = 1/28 = 3.9 mV (0.39%) 00100 00011 00010 00001

Esempio: ADC 3 bit Per un ADC a 3 bit ci sono 8 possibili output Se ad es. la tensione di input è 5.5V e il range dell’ADC è 8V, allora l’output sarà 101 Maggiore è il numero di bit, maggiore è la risoluzione (nel nostro caso la risoluzione è di 1V)

L’acquisizione dati negli esperimenti di fisica nucleare Acquisizione monoparametrica (multicanali, schede ADC,…) In genere molto veloci, potenzialità grafiche on-line,… Acquisizione multiparametrica (CAMAC, VME,…) Più lenti, potenzialità grafiche ridotte, necessità analisi off-line

Un esempio: analizzatore multicanale basato su una scheda ADC

Alcune caratteristiche

Acquisizione multiparametrica Anni ’60-’70: acquisizione con più parametri (tipicamente 2) e possibilità di spettri bidimensionali (Esempio: il multicanale LABEN 4096: consentiva di acquisire contemporaneamente fino a 4 spettri da 1024 canali, oppure spettri bidimensionali, cioè matrici, da 64x64 canali) Dagli anni ’70: standard CAMAC (Computer Automated Measurement And Control) : modulistica standard con bus (dataway) che trasporta informazioni e segnali di controllo da e verso i moduli

CAMAC (Computer Automated Measurement And Control)‏ Standard relativamente “vecchio”, introdotto in europa nel 1969. Sistema modulare. Meccanicamente consiste di un “crate” con 25 stazioni (slots). Nella parte posteriore del crate è situato il DATAWAY al quale, tramite un connettore di 86 pin, si collegano i moduli. DATAWAY: tensioni di alimentazione per i moduli, “linee” addizionali consentono il trasferimento di dati e messaggi di controllo da e verso i moduli stessi. Comunicazioni gestite dal “crate controller”. 09/12/2018

Schema acquisizione VME alimentazione + bus CPU (+ RAM, bridge, I/O, …)‏ Crate Schede segnali Rivelatore Rete (intranet, internet)‏

Tutto il complesso di operazioni descritte costituisce il cosiddetto ON LINE dell’esperimento -> gestione dei dati in tempo reale o quasi La successiva analisi fisica costituisce la parte OFF LINE

Ogni esperimento di fisica nucleare produce in genere degli eventi, definiti da una serie ordinata di variabili. Esempio: 2 rivelatori in coincidenza, con le seguenti informazioni: energia depositata in ciascuno dei due e tempo di volo tra i due: E1, E2, T Struttura dell’evento: N.Evento E1 E2 T 2.35 3.46 5.61 3.43 4.21 5.66 ……………………………. ……………………… Il programma di acquisizione dati scriverà in un file, evento per evento, questa serie ordinata di numeri, per la loro successiva analisi

In un sistema di acquisizione dati basato ad esempio sul CAMAC, si definisce la lista delle variabili di interesse, che costituisce la struttura dell’evento. Ad esempio, se abbiamo un modulo ADC con 4 canali letti e un modulo TDC con 2 canali letti, avremo in totale 6 variabili per ogni evento: ADC1, ADC2, ADC3, ADC4, TDC1, TDC2 …… …..

Esempio di analisi: Un programma di analisi servirà a : Leggere dal file le variabili originali Definire eventualmente delle nuove variabili Applicare delle condizioni aritmetiche o logiche ai dati letti Costruire dei grafici opportuni Esempio: Leggere le variabili E1, E2, T Definire la variabile ETOT=E1+E2 Selezionare solo gli eventi per cui ETOT > 4 Graficare l’istogramma di E1, E2, ETOT

Cos’è un istogramma? La distribuzione dei valori di una variabile Un esempio: istogramma della differenza dei tempi di arrivo in 2 telescopi EEE diversi Telescopio 1 Telescopio 2

Un istogramma dell’angolo azimutale Phi valutato dall’inclinazione della traccia del muone in un telescopio.

Esempio di selezione degli eventi: Vogliamo solo quegli eventi con un angolo Phi compreso tra 50 e 100 gradi

In molti casi l’analisi prevede lo studio della correlazione tra due variabili. Esempio: la lunghezza della traccia del muone misurato nel telescopio e il tempo di volo tra le due camere superiore e inferiore

Poiché il tempo di volo deve essere proporzionale alla lunghezza della traccia possiamo selezionare gli eventi che stanno dentro una zona ristretta del piano.

.. Oppure, più semplicemente, definire la variabile l/tof = Lunghezza traccia/tempo di volo e selezionare gli eventi entro un dato intervallo cm/ns

Tutto questo richiede software scritto dall’utente, o utilizzo di strumenti di analisi (PAW, ROOT) espressamente pensati per l’analisi dei dati in fisica. Questi programmi sono di utilizzo gratuito e disponibili ad esempio dal sito del CERN per varie piattaforme (Windows, Linux,..) http://paw.web.cern.ch/paw/ http://root.cern.ch