Έρευνα και ανάπτυξη του συστήματος λήψης δεδομένων με τη χρήση της κάρτας Level-1 Data Driver Card (L1DDC) για την αναβάθμιση του πειράματος ATLAS

Abstract

Το ATLAS είναι ένα από τα τέσσερα ϐασικά πειράµατα που ϐρίσκονται στο µεγάλο επιταχυντή αδρονίων του CERN. Στις µελλοντικές αναβαθµίσεις οι ανιχνευτές που ϐρίσκονται στους εσωτερικούς τροχούς που ονοµάζονται Small Wheels,ϑα αντικατασταθούν από ανιχνευτές νέας γενιάς,οι οποίοι προσφέρουν δυνατότητες σκανδαλισµού και τροχιών ακριβείας. Η αναβάθµιση αυτή κρίθηκε αναγκαία από τις υψηλές ϱοές σωµατιδίων (µέχρι 15kHz/cm2), από την υψηλή ακτινοβολία που αναµένεται κατά τη διάρκεια του Run-3 (2021-2023) και την µέγιστη στιγµιαία ϕωτεινότητα 7.5×1034 cm^−2s^−1 στον Υψηλής Φωτεινότητας Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (µετά το 2026). Ο αϱιθµός των αλληλεπιδράσεων ανά διέλευση δέσµης (κάθε 25ns) ϑα αυξηθεί στις 140,µε αποτέλεσµα ένα δραµατικά µεγάλο όγκο παραγόµενων δεδοµένων. Οι ανιχνευτές του New Small Wheel ϑα µπορούν να λειτουργούν σε υψηλές ταχύτητες µε εξαιρετική χωρική και χρονική ανάλυση σε πραγµατικό χρόνο. Οι νέοι ανιχνευτές αποτελούνται από τους αντιστατικούς ϑαλάµους micromegas και τους small-strip Thin Gap Chambers. Ωστόσο, ακτινοβολία έως 1700Gy (στην εσωτερική ακτίνα) και το µαγνητικό πεδίο µέχρι 0.4T στην περιοχή του τελικού καλύµµατος, δηµιουργούν ένα εχθρικό περιβάλλον για τα ηλεκτρονικά. Για την ανάγνωση του υψηλού αριθµού ηλεκτρονικών καναλιών (∼2.1 εκατοµµύρια για τους micromegas και∼332 χιλιάδες κανάλια για τους small-strip Thin Gap Chamber) και για την αντοχή στο τόσο δυσχερές περιβάλλον πρέπει να κατασκευαστούν και να εγκατασταθούν νέα ηλεκτρονικά. Επιπροσθέτως, πρέπει να εφαρµοστούν µηχανισµοί διόρθωσης για ανατροπές µεµονωµένων συµβάντων (Single Event Upsets (SEU)-αλλαγή της κατάστασης που προκαλείται όταν ένα σωµατίδιο υψηλής ενέργειας χτυπάει σε µια µικρο-ηλεκτρονική συσκευή) προκειµένου να διασφαλιστεί η ακεραιότητα των µεταδιδόµενων δεδοµένων. Η όλη διαδροµή ανάγνωσης και σκανδαλισµού του New Small Wheel επανασχεδιάστηκε και περιλαµβάνει την κατασκευή νέων ηλεκτρονικών καρτών και ολοκληρωµένων κυκλωµάτων ειδικού σκοπού συµβατών ακόµη και µε τις ϱοές των δεδοµένων του Run-3. Η ανάπτυξη των καρτών περιελάµβανε µια σειρά από πρότυπες κάρτες και τον εκτενή έλεγχότουςµεµονωµένααλλάκαισαν µέρος του τελικού συστήµατος. Επίσης πραγµατοποιήθηκε σηµαντική µελέτη για να µπορέσουν οι κάρτες αυτές να είναι συµβατές ακόµα και για τις µελλοντικές (και πιο απαιτητικές) αναβαθµίσεις του πειράµατος. Μέχρι σήµερα έχουν κατασκευαστεί και ελεγχθεί οκτώ διαφορετικές εκδόσεις των καρτών αυτών. Τα τελευταία πρότυπα, έπειτα από αποσφαλµάτωση αποτελούν και τις κάρτες αναφοράς για τη µαζική παραγωγή κατά την οποία ϑα παραχθούν συνολικά 1056 κάρτες Level-1 Data Driver Card. Πρόσθετα για τις ανάγκες του πειράµατος αλλά και για έναν πιο ολοκληρωµένο έλεγχοτων καρτών και του τελικού συστήµατος σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκανµιασειράαπό τελικές κάρτες, κάρτες διανοµής συνεχούς ϱεύµατος και µια σειρά από ϐοηθητικές κάρτες. Στόχος της διδακτορικής διατριβής ήταν η έρευνα και ανάπτυξη της κάρτας Level-1 Data Driver Card που αποτελεί µέρος της αλυσίδας ανάγνωσης δεδοµένων και των δύο τεχνολογιών ανιχνευτών και αποτελείται από εξαρτήµατα ανθεκτικά στην ακτινοβολία. Στο πρώτο κεφάλαιο περιγράφεται εκτενώς το πείραµα ATLAS και ο µεγάλος αντίκτυπος που ϑα προκαλέσουν οι µελλοντικές αναβαθµίσεις του Υψηλής Φωτεινότητας Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων στο εύρος δεδοµένων του New Small Wheel. Αυτός ήταν ο λόγος που το τωρινό σύστηµα σκανδαλισµού επανασχεδιάστηκε και ϑα αναβαθµιστεί σταδιακά τα επόµενα χρόνια. Επιπροσθέτως, παρουσιάζονται οι αρχές λειτουργίας των καινούριων ανιχνευτών (micromegas και small-strip Thin Gap Chamber) που ϑα χρησιµοποιηθούν στο New Small Wheel. Στο δεύτερο κεφάλαιο ϑεωρήθηκε αναγκαία η περιγραφή του συνολικού συστήµατος σκανδαλισµού και ανάγνωσης δεδοµένων για τους δύο τύπους ανιχνευτών. ΄Ολες οι κάρτες και τα ολοκληρωµένα κυκλώµατα ειδικού σκοπού που σχεδιάστηκαν,αναπτύχθηκαν και χρησιµοποιήθηκαν παρουσιάζονται µε µεγάλη λεπτοµέρεια. Γίνεται επίσης εκτενής αναφορά στα πρωτόκολλα επικοινωνίας, τα µέσα διεπαφής, και την πολιτική γείωσης του ανιχνευτή και όλων των ηλεκτρονικών. Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζεται επίσης το πρωτότυπο της κάρτας Level-1 Data Driver Card το οποίο ήταν κοινό για τους δύο τύπους ανιχνευτών. Κύριος σκοπός της κάρτας Level-1 Data Driver Card είναι η διανοµή απόλυτα συγχρονισµένων ϱολογιών και δεδοµένων σκανδαλισµούσε όλες τις κάρτες που ϐρίσκονται πάνω στονανιχνευτή,καθώς επίσης και η ανάγνωση των δεδοµένων/περιβαντολλογικών µεταβλητών (ϑερµοκρασίες, τάσεις) από τους ανιχνευτές. Η κάρτα αυτή αποτελείται όχι µόνο από ολοκληρωµένα κυκλώµατα ανθεκτικά σε ακτινοβολία αλλά και από εµπορικά ηλεκτρονικά όπως είναι τα επαναπρογραµµατιζόµενα ολοκληρωµένα κυκλώµατα γενικού σκοπού. Ο κύριος σκοπός της χρησιµοποίησης εµπορικών ηλεκτρονικών ήταν η ύπαρξη εναλλακτικής διαδροµής για την ανάγνωση των δεδοµένων από τους ανιχνευτές. Αυτό προσέφερε τη δυνατότητα επαλήθευσης της λειτουργίας του τελικού συστήµατος. Οι προδιαγραφές, οι σχεδιαστικές επιλογές και τα αποτελέσµατα από τους διάφορους ελέγχους που πραγµατοποιήθηκαν αναφέρονται λεπτοµερώς. Περιγράφεται επίσης η επίπτωση που έχει το µεγάλο εύρος δεδοµένων που αναµένεται µελλοντικά στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων στην κάρτα Level-1 Data Driver Card και στο σύστηµα ανάγνωσης δεδοµένων. Για το λόγο αυτό ϑα χρησιµοποιηθούν καινούριες τεχνικές, πρόσθετα ολοκληρωµένα κυκλώµατα, καλώδια και οπτικές ίνες. Τέλος, το σύστηµα διανοµής χαµηλής τάσης και το σύστηµα ψύξης επανασχεδιάστηκαν. Εξαιτίας του διαφορετικού ϱυθµού µετάδοσης δεδοµένων και της µορφολογίας των ανιχνευτών αναπτύχθηκαν δύο διαφορετικές κάρτες Level-1 Data Driver Card. Το δυσχερές περιβάλλον που προκαλείται από την ακτινοβολία και το µαγνητικό πεδίο σε συνδυασµό µε τον ελάχιστο διαθέσιµοχώροέκανετοσχεδιασµό των καρτών αρκετά δύσκολο. ΄Ολα τα υλικά πρέπει να συµµορφώνονται µε τους κανονισµούς του CERN καθώς επίσης η χρησιµοποίηση υλικών και ολοκληρωµένων κυκλωµάτων ανθεκτικών σε ακτινοβολία και µαγνητικό πεδίο αποτελούσε µονόδροµο. Πρόσθετα, υψηλής ποιότητας ϱολόγια αναφοράς ϑα πρέπει να διανέµονται απο τις κάρτες Level-1 Data Driver Card για τη µετάδοση δεδοµένων σε υψηλές ταχύτητες χωρίς σφάλµατα. Το τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζει την κάρτα Level-1 Data Driver Card για τους ανιχνευτές small strip Thin Gap Chamber. Η διαδροµή µέσα από µια σειρά προτύπων, οι σχεδιαστικές επιλογές, τα σφάλµατα που ανιχνεύτηκαν και τα αποτελέσµατα απότουςδιάφορουςελέγχουςπεριγράφονται εκτενώς. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφεται η έκδοση της κάρτας Level-1 Data Driver Card για τους ανιχνευτές micromegas. Παρόµοια µε το κεφάλαιο τρία,µια σειρά από πρότυπες κάρτες σχεδιάστηκαν και αναπτύχθηκαν για το σκοπό αυτό. Η αρχή λειτουργίας και τα ολοκληρωµένα κυκλώµατα που χρησιµοποιήθηκαν είναι τα ίδια µε την κάρτα Level-1 Data Driver Card για τους ανιχνευτές small-strip Thin Gap Chamber. Αποδείχθηκε αναγκαία η χρήση µιας διαφορετικής κάρτας Level-1 Data Driver Card για το σύστηµα σκανδαλισµού των ανιχνευτών small-strip Thin Gap Chamber. Ανκαιδενλαµβάνει/επεξεϱγάζεται καθόλου δεδοµένα σκανδαλισµού χρησιµοποιείται για τη διανοµή απόλυτα συγχρονισµένων ϱολογιών, για τη διαµόρφωση των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων άλλων καρτών, την συλλογή περιβαντολλογικών µεταβλητών καθώς και για την αποστολή άλλων πρόσθετων δεδοµένων. Πρόσθετα, διανέµει ϱολόγια χαµηλού jitter στους απαιτητικούς ποµποδέκτες των επαναπρογραµµατιζοµένων ολοκληρωµένων κυκλωµάτων γενικού σκοπού που ϐρίσκονται στις κάρτες σκανδαλισµού, για τη λήψη των υψίσυχνων σηµάτων. Οι σχεδιαστικές προτιµήσεις, τα εµπόδια που παρουσιάστηκαν, οι έλεγχοι που πραγµατοποιήθηκαν και τα αποτελέσµατα παρουσιάζονται σε αυτό το κεφάλαιο (κεφάλαιο πέµπτο). Το έκτο κεφάλαιο παρουσιάζει τη ϑέση όλων των καρτών Level-1 Data Driver Card στους ανιχνευτές. Περιγράφεται επίσης η διεπαφή των καρτών µε το σύστηµα ψύξης, η συνδεσιµότητα µε τις υπόλοιπες ηλεκτρονικές κάρτες και το µήκος των καλωδίων που ϑα χρησιµοποιηθούν. Για τον έλεγχο των καρτών έγινε επίσης µελέτη, σχεδίαση, έλεγχος και αποσφαλµάτωση κώδικα χαµηλού επιπέδου σε γλώσσα Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (VHDL). Η ανάπτυξη του κώδικα περιλαµβάνει επικοινωνία του συστήµατος ελέγχου µε την κάρτα Level-1 Data Driver Card µέσω οπτικών ινών, τον προγραµµατισµό των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων ειδικού σκοπού που ϐρίσκονται στην κάρτα Level-1 Data Driver Card, τη συλλογή περιβαλλοντικών µεταβλητών (τάσεις ϱεύµατος και ϑερµοκρασίες) και τον έλεγχό τους απο έναν προσωπικό υπολογιστή µέσω της διεπαφής του Ethernet και των πρωτοκόλλων UDP/IP.Εξετάζεται επίσης η ακεραιότητα των δεδοµένων κυρίως για υψίσυχνα σήµατα κατα τη διέλευσή τους από καλώδια µεγάλου µήκους. Η τεχνική για να αντισταθµιστεί η απώλεια του σήµατος εξαιτίας της απόσβεσης λόγω των καλωδίων, ήταν η χρησιµοποίηση πρόσθετων ολοκληρωµένων κυκλωµάτων για την περαιτέρω ενίσχυση του σήµατος. Πραγµατοποιήθηκε µια σειρά από εξοντωτικούς ελέγχους χρησιµοποιώντας το τελικό σύστηµα και τις τελικές κάρτες για να επιβεβαιωθεί η ορθή λειτουργία και η χρησιµοποίηση τους. Τέλος,στα παραρτήµατα παρουσιάζεται η αναγκαιότητα για την ανάπτυξη ενός αριθµού τελικών καρτών, καρτών διανοµής συνεχούς τάσης και µια σειρά από ϐοηθητικές κάρτες. Οι κάρτες αυτές χρησιµοποιήθηκαν για τον έλεγχο της κάρτας Level-1 Data Driver Card και του τελικού συστήµατος καθώς επίσης για τον έλεγχο και επικύρωση του ολοκληρωµένου κυκλώµατος ειδικού σκοπού Venetis MicroMegas. Για την εκτίµηση του τελικού συστήµατος πραγµατοποιήθηκε επίσης ανάπτυξη, έλεγχος και αποσφαλµάτωση κώδικα χαµηλού επιπέδου σε γλώσσα VHDL για τον προγραµµατισµό του ολοκληρωµένου κυκλώµατος ειδικού σκοπού Venetis MicroMegas (VMM) που ϐρίσκεται στις τελικές κάρτες, τη συλλογή δεδοµένων από τους ανιχνευτές και µεταφορά τους µέσω της διεπαφής Ethernet και των πρωτοκόλλων UDP/IP σε ηλεκτρονικό υπολογιστή για την αποθήκευση και µετέπειτα αξιολόγησή τους.