Reconfigurable platform for concurrent multichannel pulse analysis in particle detectors and its application to a muon telescope
Authors
García Tejedor, Juan IgnacioDate
2021Affiliation
Universidad de Alcalá. Departamento de Automática; Universidad de Alcalá. Programa de Doctorado en Investigación Espacial y AstrobiologíaKeywords
Detectores de Partículas
Rayos cósmicos
Instrumentos Electrónicos
Aparatos científicos
Document type
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
Version
info:eu-repo/semantics/acceptedVersion
Rights
Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internacional
Access rights
info:eu-repo/semantics/openAccess
Abstract
Dada la diversidad de fenómenos que se observan en el campo de la física nuclear experimental, se desarrolla constantemente gran variedad de instrumentación científica. Uno de los elementos clave de estos instrumentos es el sistema de adquisición y procesamiento de datos, que normalmente es una cadena de adquisición construida a medida para el instrumento y/o experimento específico, o bien construida a partir de módulos electrónicos genéricos como los que utilizan los estándares NIM, CAMAC o VXI. Ambos enfoques presentan importantes inconvenientes: los sistemas de adquisición de datos a medida conllevan tiempo de desarrollo y no son económicamente rentables, dada su naturaleza específica e inflexible; y los módulos de instrumentación estándar son flexibles en su configuración, pero limitados en su funcionalidad, caros y a menudo poco prácticos para instrumentos en los que se requiere el manejo de una gran cantidad de señales.
Este trabajo presenta un nuevo concepto de arquitectura integrada de adquisición, análisis y procesamiento de datos para su uso en electrónica de instrumentación nuclear que aborda estas limitaciones. Se propone una plataforma hardware común que se centra en la adaptabilidad a una amplia variedad de configuraciones de experimentos, pero que es capaz de proporcionar una funcionalidad y un rendimiento similares a los de un sistema de adquisición de datos hecho a medida, a la vez que se mantiene compacto, de bajo consumo y con un coste reducido. Esto se consigue aprovechando tecnologías como los ADC multicanal de alta velocidad, los dispositivos FPGA de lógica reconfigurable y los ordenadores compactos monoplaca basados en SoC, que permiten la implementación de la cadena de adquisición mediante una combinación de electrónica, hardware modular sintetizable y software basado en Linux.
Finalmente, se ha construido un prototipo del concepto de sistema de adquisición propuesto y se describe su uso con éxito en el instrumento Muon Impact Tracer and Observer, un telescopio de muones compuesto por dos centelleadores de 1m2 y ocho tubos fotomultiplicadores que forma parte del observatorio de rayos cósmicos ORCA,
actualmente instalado en la Base Antártica Española Juan Carlos I. Given the diversity of observed phenomena in the field of experimental nuclear
physics, a large variety of scientific instrumentation is constantly being developed.
One of the key elements in these instruments is the data acquisition and processing
system, which is normally an acquisition chain either custom built for the specific
instrument and/or experiment, or built upon generic electronic modules such those
using the NIM, CAMAC or VXI standards. Both these approaches have important
drawbacks: custom data acquisition systems take time to develop and are not costeffective,
given their specific and inflexible nature; and standard instrumentation
modules are flexible in their configuration, but limited in functionality, expensive,
and often impractical for instruments where handling a large amount of signals is
required.
This work presents a new concept of integrated data acquisition, analysis
and processing architecture for use in nuclear electronics instrumentation that
tackles on these limitations. A common hardware platform design is proposed
that is focused on adaptability to a wide variety of experiment configurations,
but capable of providing functionality and performance similar to a custombuilt
data acquisition system while also staying compact, low power and costeffective.
This is achieved by leveraging technologies such as multi-channel highspeed
ADCs, reconfigurable logic FPGA devices, and modern, compact and SoC
based Single-Board Computers, which allow the implementation of the acquisition
chain through a combination of electronics, modular synthesizable hardware and
Linux-based software.
Finally, a prototype of the proposed data acquisition system concept has been
built, and its successful use in the Muon Impact Tracer and Observer instrument,
a muon telescope composed of two 1m2 scintillators and eight Photomultiplier
Tubes, which is part of the ORCA cosmic ray observatory currently installed in
the Juan Carlos I Antarctic Base, is described.
Files in this item
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Thesis Juan Ignacio Garcia ... | 19.73Mb |
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