Università degli studi “Federico II”
Facoltà di Scienze MM.FF.NN
Corso di laurea in Fisica
Disegno del sistema
generale di trigger dell’esperimento ICARUS,
progettazione e realizzazione della scheda di
primo livello
Candidato:
Relatori:
Maurizio Della Pietra
Dott. G. Fiorillo
matr. 60/509
Dott. A. Ereditato
Sommario
ICARUS, gli obiettivi fisici e il rivelatore;
 Il sistema elettronico di trigger;
 Il prototipo della Local Trigger Control Unit;
 Conclusioni.

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Il progetto ICARUS
 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).

Il programma di ricerca si
basa su due linee
principali:


oscillazione di neutrino
(neutrini solari, atmosferici,
da supernova, dal fascio
CNGS);
decadimento del protone.
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ICARUS come osservatorio di
neutrini cosmici



Neutrini solari prodotti
dalle reazioni di
fusione;
Neutrini atmosferici:
decadimento di pioni
(K, p) e dei mesoni (m);
Neutrini di tutti e tre i
sapori prodotti
dall’esplosione di una
supernova.
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Eventi attesi in ICARUS
Con una massa sensibile di 600 tonnellate
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.

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La tecnologia ICARUS




Ionizzazione in Argon
Liquido;
Alta mobilità elettronica;
Alta purezza (< 1ppb O2
eq.);
Ricostruzione
tridimensionale:


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Tre piani di fili;
La terza dimensione è
ottenuta dal tempo di deriva
(t0 dalla scintillazione in
Argon).
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Il 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.
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Organizzazione del DAQ
VME
DAEDALUS
L
R
Buffers
To Event Builder
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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 all’esplosione di una supernova si
attendono circa 200 eventi in 10s
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Gli obiettivi del sistema elettronico
di 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.

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Segmentazione e Selettività
Muone
Sciame elettromagnetico
Elettroni di bassa energia
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Definizione di pixel
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Trigger Globali e Locali

Alta energia rilasciata
(atmosferici, fascio) → trigger globale;

Bassa energia rilasciata
(solari, supernovae) → trigger locale.
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Schema generale di trigger
1.
2.
3.
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 dell’evento,
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.
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L’algoritmo di generazione del trigger
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Gli obiettivi del prototipo della Local
Trigger 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.
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Il prototipo della LTCU
Alimentazioni
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ingressi
Interfaccia
Oscillatore
Uscite
Comparatori
FPGA
DAC
di trigger
RS232
a 10 MHz
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Funzionalità 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
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Il segnale di ingresso
• Modulazione a bassa frequenza (~ 60 KHz) baseline → filtro RC
• Soglia di discriminzione → 50 – 60 mV (4÷5 MeV)
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I comandi per la comunicazione
con la LTCU
Ad ogni funzionalità è associato un comando, individuato
univocamente da una parola di controllo di 1 byte
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
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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.
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L’algoritmo di conteggio (II)

99.5 ± 0.6


• Segnale di ingresso: ampiezza ~300mV,
durata ~2ms, frequenza 100Hz.
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.
• Finestra temporale: 1s
• Numero conteggi: 100
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Prestazioni in frequenza e
occupazione della FPGA
 18% FF
 40% IOB
 36% CLB
Massima frequenza : 45.405 MHz (freq. di utilizzo 10 MHz);
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Il software di controllo per il
collaudo
• La LTCU è interfacciabile
con qualsiasi pc in commercio
tramite la porta COM.
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• Il software di controllo, sviluppato in
Labview, permette l’automatizzazione
delle procedure di collaudo.
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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;
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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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