Contributions to Phase Two of AGATA electronics
NAGIOS: RODERIC FUNCIONANDO

Contributions to Phase Two of AGATA electronics

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Contributions to Phase Two of AGATA electronics

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dc.contributor.advisor Gadea Raga, Andrés
dc.contributor.advisor González Millán, Vicente
dc.contributor.author Collado Ruiz, Javier
dc.contributor.other Departament d'Enginyeria Electrònica es_ES
dc.date.accessioned 2020-03-09T11:57:57Z
dc.date.available 2020-06-08T04:45:06Z
dc.date.issued 2020 es_ES
dc.date.submitted 27-03-2020 es_ES
dc.identifier.uri https://hdl.handle.net/10550/73461
dc.description.abstract En el campo de la física nuclear, la espectroscopia de rayos gamma de alta resolución es un método preciso para estudiar la estructura del núcleo, extrayendo la energía y la distribución angular de los fotones gamma emitidos en las transiciones entre estados nucleares. Para obtener núcleos en un estado excitado y por tanto emitan rayos gamma, hemos de hacer chocar la materia, produciendo reacciones nucleares (espectroscopia de haz) o recurrir a desintegraciones radiactivas (espectroscopia de desintegración). Los detectores de semiconductor de germanio de alta pureza (HPGe) han demostrado tener una buena respuesta interaccionando con rayos gamma. Al igual que otros detectores de basados en semiconductores, cuando se los somete a alto voltaje, los detectores HPGe producen una alta corriente de medida proporcional a la energía de los rayos gamma incidentes. El multi-detector HPGe AGATA (Advanced GAmma Tracking Array) es uno de los espectrómetros gamma de alta resolución más avanzados que existen dedicado al estudio de la física nuclear. Para maximizar la sensibilidad, los detectores HPGe de AGATA tienen los contactos exteriores divididos en 36 segmentos, de este modo se puede determinar la posición del fotón y la energía depositada en cada una de estas partes. Con la información sobre la posición y la energía de los fotones es posible reconstruir las interacciones de los rayos gamma a través de los algoritmos de tracking. Gracias a esta técnica, es posible maximizar la sensibilidad del detector (resolución energética y factor P/T) sin necesidad de utilizar parte del ángulo sólido de detección para otros detectores dedicados a la supresión del efecto Compton. Además de los detectores mismos, los detectores de HPGe sensibles al posicionamiento requieren una electrónica de muestreo con ratios señal a ruido de calidad espectroscópica, que capturen y digitalicen las trazas para ser procesadas por los algoritmos de análisis de forma de pulso (Pulse Shape Analysis). Para conseguir la máxima sensibilidad y eficiencia, el proyecto AGATA busca construir el multi-detector cubriendo una superficie total con 4π de ángulo sólido, optimizando la información obtenida, algo especialmente crítico en experimentos que usan costosos haces de iones radiactivos. Otro objetivo en la construcción de AGATA es su movilidad. El multi-detector AGATA se instala en diferentes laboratorios para aprovechar la variedad de haces e instrumentación complementaria que existen en los diferentes centros europeos. El proyecto AGATA se encuentra actualmente en su Fase 1, que busca cubrir hasta 1π de ángulo sólido y se encuentra funcionando con la segunda generación de electrónica. Los 45 detectores instalados actualmente utilizan en parte la anterior generación o Fase 0 de electrónica, que fue diseñada y producida entre 2005 y 2007. El principal objetivo a nivel de electrónica en la colaboración AGATA es el desarrollo de la nueva generación para la Fase 2, que busca instrumentar 180 detectores y la cual se ha desarrollado parcialmente en esta tesis. Los principales objetivos de la electrónica para la Fase 2 son la integración de en un solo dispositivo, desde la digitalización hasta la salida de datos y el protocolo Ethernet como comunicación para dicha salida. La tecnología Ethernet permitirá una conexión multipunto y la posibilidad de leer los datos desde cualquier sitio de la granja de procesado de AGATA. También se han tenido en cuenta, en el diseño, facilitar el mantenimiento y evitar la obsolescencia de los componentes utilizados. Uno de los grandes problemas que se encuentran en la integración del sistema electrónico de AGATA es la optimización de los recursos en la FPGA por parte del Pre-procesado. Con el avance de la tecnología, a pesar del aumento de la tasa de datos por transceptores de alta velocidad en estos dispositivos (entre 16 y 32 Gbps), el número de transceptores en las FPGAs no se ha incrementado sustancialmente. Además, el coste de los dispositivos FPGA aumenta considerablemente con el número de transceptores. Esto es un problema crítico en AGATA, ya que requiere un gran número de canales digitalizados por dispositivo, pero no a una velocidad especialmente alta (sobre 2 Gbps). Para reducir la complejidad del sistema, el coste y la potencia total, el número de líneas de alta velocidad se ha optimizado mediante agregación de datos por multiplexado en tiempo, incrementando la velocidad de tasa de datos, pero con una reducción en el número total de éstas de 4 a 1. Esta solución se ha llevado a cabo a través de la tarjeta Input Data Mezzanine, concebida y desarrollada enteramente en esta tesis. El objetivo principal desde el punto de vista científico es demostrar la posibilidad de leer 40 canales bajo el protocolo JESD204 o uno equivalente, vía fibra óptica o por cable físico, únicamente con 10 transceptores de alta velocidad de una FPGA, gracias a la técnica de multiplexado por división en el tiempo. La base de la que se parte es la electrónica actual de AGATA y se apoya en tecnología del estado del arte sobre diseño hardware y software para FPGA, diseño digital de alta velocidad y comunicaciones digitales. A pesar de que este diseño se ha realizado principalmente para el proyecto AGATA, consideramos que esta tecnología será de interés para otros instrumentos y aplicaciones. es_ES
dc.format.extent 204 p. es_ES
dc.language.iso en es_ES
dc.subject Gamma Ray Spectroscopy es_ES
dc.subject High Speed Digital Design es_ES
dc.subject FPGA es_ES
dc.subject Time Domain Multiplexing es_ES
dc.subject JESD204 protocol es_ES
dc.subject AGATA es_ES
dc.subject Nuclear Instrumentation es_ES
dc.subject Applied Electronics & Instrumentation Engineering es_ES
dc.title Contributions to Phase Two of AGATA electronics es_ES
dc.type info:eu-repo/semantics/doctoralThesis es_ES
dc.subject.unesco UNESCO::CIENCIAS TECNOLÓGICAS es_ES
dc.description.abstractenglish In the field of Nuclear Physics, high-resolution gamma ray spectroscopy is an accurate method to perform nuclear structure studies, retrieving the energy and angular distributions from gamma photons emitted in the transition between nuclear states. In order to obtain the nucleus in an excited state, such that will emit gamma-rays, we are forced to collide matter, doing nuclear reactions (in the in-beam spectroscopy) or resort to the radioactive decay (decay spectroscopy). The High Purity Germanium (HPGe) semiconductor detectors have shown to provide good response as gamma-ray detector. As other semiconductor detectors, HPGe produce, with high sensitiveness, a current proportional to gamma ray energies while there are subject to high voltage inverse polarization, in cryogenic conditions. The AGATA (Advanced GAmma Tracking Array) HPGe detector array is a state-of-the-art detector array for the gamma ray spectroscopy technique in nuclear physics. In order to improve the sensitivity, AGATA HPGe detectors have the outer contact divided in 36 segments in order to determine photon position and energy deposited in each segment. With the interaction energy and position information is possible to reconstruct (Track) the gamma-ray interaction sequence using tracking algorithms. With such technique is possible to maximize the sensitivity of the detector array (energy resolution and P/T) without using part of the detection solid angle for the anti-Compton active shields. In addition to the segmented detectors, the positions sensitive HPGe arrays require sampling electronics with spectroscopic signal-to-noise ratios, which provides the traces to be processed by the Pulse Shape Analysis algorithms. To provide maximum efficiency and sensitivity, the AGATA project aims to construct a 4π solid angle detector array. This geometry optimizes as well the information obtained, something that is especially important in experiments using expensive radioactive ion beams. Another goal in the construction of AGATA is the mobility of the array. AGATA is installed in different laboratories to take advantage of the variety of beams and complementary instrumentation existing in different European centres. The AGATA project is currently in its Phase 1, using a second generation electronics, which aims at building a 1 π solid angle coverage. This requires 45 detectors, that today are partly instrumented with the previous Phase 0 electronics, mostly design and produced in the period from 2005 to 2007. Presently, the main goal for the AGATA collaboration, regarding electronics, is the development of the Phase 2 version, with the objective of instrumenting 180 detectors, which is partly done by the work described in this thesis. The main improvements for this Phase 2 electronics are: the integration of all the electronics from digitizers to readout, including Pre-processing, in one standalone system and the use of Ethernet as the readout protocol. The Ethernet technology will enable a multipoint connection and the possibility to distribute the data anywhere within the AGATA processing farm. One of the main problems found in the integration of all the system is the optimization of the FPGA resources used in the Pre-processing. Despite of the increase in the high-speed transceiver data rates of the last FPGA developed in the industry, the number of transceivers on the devices is limited. Furthermore, the FPGA cost increases largely with the amount of transceivers, which is an issue for the AGATA detectors, with a need for a large number of transceivers but not at an especially high data rate. To reduce system complexity, cost and power, the number of high speed digital lines is optimized through data aggregation, increasing the speed data rate of each line but with a reduction of 4 to 1 in the total number of transceiver lines. The solution is carried out through the Input Data Mezzanine board, conceived and developed completely under this thesis work. From a technological point of view, the main objective of the thesis is to prove the possibility of reading up to 40 optical or copper low rate inputs, using JESD204 or equivalent protocol, in the FPGA using only 10 transceivers through a time division multiplexing technique. The work is done with state-of-the-art in hardware-software FPGA design, high-speed digital design and digital communications, as well as with the knowhow of the AGATA current electronics. Although this device is designed for AGATA, we consider that this technology will be of interest for other instruments and applications. es_ES
dc.embargo.terms 3 months es_ES

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