Università degli studi “Federico II” Facoltà di Scienze MM.FF.NN Corso di laurea in Fisica

1. Disegno del sistema generale di trigger dell’esperimento 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

2. Sommario • ICARUS, gli obiettivi fisici e il rivelatore; • Il sistema elettronico di trigger; • Il prototipo della Local Trigger Control Unit; • Conclusioni. Tesi di laurea in Fisica

3. 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. Tesi di laurea in Fisica

4. 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. Tesi di laurea in Fisica

5. 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. Tesi di laurea in Fisica

6. La 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). Tesi di laurea in Fisica

7. 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. Tesi di laurea in Fisica

8. Organizzazione del DAQ VME DAEDALUS R L Buffers To Event Builder Tesi di laurea in Fisica

9. 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 Tesi di laurea in Fisica

10. 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. Tesi di laurea in Fisica

11. Segmentazione e Selettività Muone Sciame elettromagnetico Elettroni di bassa energia Tesi di laurea in Fisica

12. Definizione di pixel Tesi di laurea in Fisica

13. Trigger Globali e Locali • Alta energia rilasciata (atmosferici, fascio) → trigger globale; • Bassa energia rilasciata (solari, supernovae) → trigger locale. Tesi di laurea in Fisica

14. 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 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. Tesi di laurea in Fisica

15. L’algoritmo di generazione del trigger Tesi di laurea in Fisica

16. 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. Tesi di laurea in Fisica

17. Il prototipo della LTCU Alimentazioni 18 ingressi Comparatori Interfaccia RS232 DAC FPGA Oscillatore a 10 MHz Uscite di trigger Tesi di laurea in Fisica

18. 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 Tesi di laurea in Fisica

19. Il segnale di ingresso • Modulazione a bassa frequenza (~ 60 KHz) baseline → filtro RC • Soglia di discriminzione → 50 – 60 mV (4÷5 MeV) Tesi di laurea in Fisica

20. 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 Tesi di laurea in Fisica

21. 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. Tesi di laurea in Fisica

22. 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. 99.5 ± 0.6 • Segnale di ingresso: ampiezza ~300mV, durata ~2ms, frequenza 100Hz. • Finestra temporale: 1s • Numero conteggi: 100 Tesi di laurea in Fisica

23. Prestazioni in frequenza e occupazione della FPGA • 18% FF • 40% IOB • 36% CLB Massima frequenza : 45.405 MHz (freq. di utilizzo 10 MHz); Tesi di laurea in Fisica

24. Il software di controllo per il collaudo • Il software di controllo, sviluppato in Labview, permette l’automatizzazione delle procedure di collaudo. • La LTCU è interfacciabile con qualsiasi pc in commercio tramite la porta COM. Tesi di laurea in Fisica

25. 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; Tesi di laurea in Fisica

26. 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. Tesi di laurea in Fisica