Disegno del sistema generale di trigger dellesperimento ICARUS, progettazione e realizzazione della scheda di primo livello Università degli studi Federico II Facoltà di Scienze MM.FF.NN Corso di laurea in Fisica Candidato: Maurizio Della Pietra matr. 60/509 Relatori: Dott. G. Fiorillo Dott. A. Ereditato

12 Maggio 2004Tesi di laurea in Fisica2 Sommario ICARUS, gli obiettivi fisici e il rivelatore; Il sistema elettronico di trigger; Il prototipo della Local Trigger Control Unit; Conclusioni.

12 Maggio 2004Tesi di laurea in Fisica3 Il 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 dinstallazione presso i laboratori sotterranei del Gran Sasso (da 600 tonnellate a 3000 tonnellate).

12 Maggio 2004Tesi di laurea in Fisica4 ICARUS come osservatorio di neutrini 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 dallesplosione di una supernova.

12 Maggio 2004Tesi di laurea in Fisica5 Eventi attesi in ICARUS Neutrini solari: ~ 1000 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 anni luce (10kpc) rilasciando un energia di erg. Con una massa sensibile di 600 tonnellate

12 Maggio 2004Tesi di laurea in Fisica6 La tecnologia ICARUS Ionizzazione in Argon Liquido; Alta mobilità elettronica; Alta purezza (< 1ppb O 2 eq.); Ricostruzione tridimensionale: Tre piani di fili; La terza dimensione è ottenuta dal tempo di deriva (t 0 dalla scintillazione in Argon).

12 Maggio 2004Tesi di laurea in Fisica7 Il rivelatore ICARUS T600 Numero di totale fili: 53248; Orientazione dei fili: 0°, ± 60°; Distanza di drift: 1.5 m; Tempo di drift: kV/cm.

12 Maggio 2004Tesi di laurea in Fisica8 Organizzazione del DAQ Buffers L R To Event Builder DAEDALUS VME

12 Maggio 2004Tesi di laurea in Fisica9 Limiti 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 allesplosione di una supernova si attendono circa 200 eventi in 10s

12 Maggio 2004Tesi di laurea in Fisica10 Gli obiettivi del sistema elettronico di trigger Migliorare le prestazioni dellesperimento per lacquisizione degli eventi di rari in particolare di quelli prodotti dallesplosione di una supernova; Analizzare lattività e loccupazione del rivelatore nel tempo in modo da individuare la tipologia degli eventi per facilitare lanalisi off-line dei dati.

12 Maggio 2004Tesi di laurea in Fisica11 Segmentazione e Selettività Sciame elettromagnetico Muone Elettroni di bassa energia

12 Maggio 2004Tesi di laurea in Fisica12 Definizione di pixel

12 Maggio 2004Tesi di laurea in Fisica13 Trigger Globali e Locali Alta energia rilasciata (atmosferici, fascio) trigger globale; Bassa energia rilasciata (solari, supernovae) trigger locale.

12 Maggio 2004Tesi di laurea in Fisica14 Schema generale di trigger LTCU: discriminazione 18 ingressi, soglia di discriminazione indipendente per canale, due uscite di trigger; TCU: coincidenze tra i segnali delle LTCU, individuazione dei pixel, studio dellevento, richiesta di trigger globale o locale; 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 2004Tesi di laurea in Fisica15 Lalgoritmo di generazione del trigger

12 Maggio 2004Tesi di laurea in Fisica16 Gli obiettivi del prototipo della Local Trigger Control Unit Operare la discriminazione in tensione dei segnali di somma analogica generati dallelettronica 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 2004Tesi di laurea in Fisica17 ComparatoriInterfaccia RS232DACFPGAOscillatore a 10 MHz Alimentazioni18 ingressi Uscite di trigger Il prototipo della LTCU

12 Maggio 2004Tesi di laurea in Fisica18 Funzionalità della LTCU Mascherare i canali dingresso; 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 linterfaccia RS232

12 Maggio 2004Tesi di laurea in Fisica19 Il segnale di ingresso Modulazione a bassa frequenza (~ 60 KHz) baseline filtro RC Soglia di discriminzione 50 – 60 mV (4÷5 MeV)

12 Maggio 2004Tesi di laurea in Fisica20 I comandi per la comunicazione con la LTCU ComandoControl WordDa trasmettereDa ricevere Write_Mk Byte0 Byte Read_Mk Byte3 Byte Write_DAC Byte0 Byte T_Win000010xx0 Byte Read_Cnt Byte Test_P000001xx0 Byte Read_Ch Byte0 Byte Ad ogni funzionalità è associato un comando, individuato univocamente da una parola di controllo di 1 byte

12 Maggio 2004Tesi di laurea in Fisica21 Lalgoritmo 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); Lalgoritmo: Riconosce le transizioni LH, Genera gli indirizzi di memoria univocamente associati ai canali, Somma il valore 1 al valore della locazione individuata dallindirizzo.

12 Maggio 2004Tesi di laurea in Fisica22 Lalgoritmo di conteggio (II) Lalgoritmo funziona correttamente; La fonte dincertezza: asincronicità del segnale rispetto alla finestra temporale; Il conteggio può essere, al più, sottostimato di due unità. Segnale di ingresso: ampiezza ~300mV, durata ~2 s, frequenza 100Hz. Finestra temporale: 1s Numero conteggi: ± 0.6

12 Maggio 2004Tesi di laurea in Fisica23 Prestazioni in frequenza e occupazione della FPGA Massima frequenza : MHz (freq. di utilizzo 10 MHz); 18% FF 40% IOB 36% CLB

12 Maggio 2004Tesi di laurea in Fisica24 Il software di controllo per il collaudo La LTCU è interfacciabile con qualsiasi pc in commercio tramite la porta COM. Il software di controllo, sviluppato in Labview, permette lautomatizzazione delle procedure di collaudo.

12 Maggio 2004Tesi di laurea in Fisica25 Impostazione e lettura delle maschere Invio del Byte di comando e dei 3 Byte di dati per la scrittura delle maschere Invio del Byte di comando per la lettura Risposta della LTCU: restituisce lo stesso valore precedentemente inviato La LTCU e il programma comunicano correttamente; la logica che si occupa del funzionamento dei comandi di scrittura e lettura delle maschere si comporta come richiesto in fase di progettazione.

12 Maggio 2004Tesi di laurea in Fisica26 Impostazione delle tensioni di soglia Segnale di clock seriale: f = 625 kHz Dati seriali: indirizzo DAC, canale e codice della tensione Segnale di aggiornamento della tensione La trasmissione generata dalla FPGA inizia rispetta le specifiche imposte dal costruttore dei DAC, la tensione viene quindi impostata correttamente.

12 Maggio 2004Tesi di laurea in Fisica27 Generazione del segnale di trigger Impulso esterno di ampiezza pari a circa 100 mV e durata di circa 2 s. Uscita del comparatore (soglia a 70 mV) Uscita di trigger Il ritardo di commutazione del comparatore è di circa 25 ns ed è un parametro costruttivo del componente mentre il ritardo di generazione delluscita di trigger è di ~45 ns.

12 Maggio 2004Tesi di laurea in Fisica28 Impulsi di test Impulso di test generato dalla FPGA di durata pari a circa 1,6 s. Uscita del comparatore (soglia a 255 mV) Uscita di trigger Generando un impulso di test allingresso dei comparatori si può verificare il corretto funzionamento dei comparatori e della generazione delluscita di trigger.

12 Maggio 2004Tesi di laurea in Fisica29 Conclusioni (I) Il sistema elettronico di trigger progettato è dotato delle seguenti proprietà: Segmentazione: migliora lacquisizione degli eventi rari e riduce, ove possibile, la mole di dati da analizzare; Selettività: individua la tipologia dellevento per facilitare lanalisi off-line; Modularità: la divisione in livelli permette lespansione del sistema con il progressivo aumento della massa sensibile da 600 a 3000 tonnellate di Argon liquido;

12 Maggio 2004Tesi di laurea in Fisica30 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.