Sistema de adquisición de datos para un experimento

de detección directa de materia oscura (ANAIS)

Miguel Ángel Oliván

TFM Dirigido por: Enrique F. Torres MorenoMáster en Ingeniería de Sistemas e Informática 2011/2012

Posgrado en Ingeniería Informática

Experimento ANAIS – Materia oscura

23% del universo parece ser materia oscura Cúmulo bala Velocidad de rotación de las galaxias espirales

Experimento ANAIS – Detección directa

Experimentos con distintas tecnologías:  CDMS, DAMA/LIBRA

Modulación anual de ritmo de interacciones  de baja energía. Requisitos:

Masa de detección Tiempo de medida 

del orden de años Bajo fondo radioactivo Bajo umbral

ÍNDICE

Experimento ANAIS Infraestructrura ANAIS Requisitos Adquisición Diseño e implementación Pruebas de conjunto, caracterización y 

optimización: UZ y LSC Conclusiones y trabajos futuros

Experimento ANAIS

Área de Atómica y Nuclear, Universidad de Zaragoza

Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC) Proyectos MICINN y MEC , Consolider­Ingenio 

2010 (MULTIDARK y CPAN) 6 profesores, 3 PostDoc, 2 Doctorandos 2 Técnicos

Papel dentro de ANAIS

Sistema de adquisición de datos Ayuda y validación del diseño Montaje, test y optimización hardware Diseño e implementación software Operación

Software de preparación de datos para el análisis Software diverso (análisis de ruido, paralelización 

y optimización del analisis de datos,...) Otros

ÍNDICE

Experimento ANAIS Infraestructrura ANAIS Requisitos Adquisición Diseño e implementación Pruebas de conjunto, caracterización y 

optimización: UZ y LSC Conclusiones y trabajos futuros

Infraestructura ANAIS

Infraestructura ANAIS

ÍNDICE

Experimento ANAIS Infraestructrura ANAIS Requisitos Adquisición Diseño e implementación Pruebas de conjunto, caracterización y 

optimización: UZ y LSC Conclusiones y trabajos futuros

Requisitos - Señal

Requisitos Adquisición

Bajo umbral de detección Resolución temporal ~ ns Escalabilidad Estabilidad y monitorizabilidad Tiempo muerto: medir, acotar y reducir

ÍNDICE

Experimento ANAIS Infraestructrura ANAIS Requisitos Adquisición Diseño e implementación Pruebas de conjunto, caracterización y 

optimización: UZ y LSC Conclusiones y trabajos futuros

Diseño

Etapas analógicas y trigger por detector Digitalización de señal y otros parámetros en 

módulos en un bus VME Software de adquisición

Diseño: hardware detector

Diseño: digitalización

Trigger level: Gestión del disparo

Matacq: Módulo de digitalización

QDC: charge­to­digital converter

TDC: time­to­digital converter

Pattern Unit: patrón de trigger 

   de diferentes detectores

Diseño: software

Diseño: Matacq

Matrix Acquisition

12 bit, 2 GSamples/s

300 MHz Bandwidth

Tiempo muerto: ~ ms

”Very high dynamic range and high sampling rate VME digitizing boards for physics experiments” Breton, D.; Delagnes, E.; Houry, M. IEEE Transactions on Nuclear Science Volume: 52 , Issue: 6 , Part: 2 (2005)

Diseño: tiempo muerto

Descontar el tiempo muerto es necesario para: cálculo de ritmo para observación de modulación comparación cuantitativa de ritmo con 

simulaciones

Disminuirlo   mayor tiempo de detección→

Dos estrategias de adquisición con distinto impacto:

Poll IRQ

Diseño – Poll

Diseño – IRQ

ÍNDICE

Experimento ANAIS Infraestructrura ANAIS Requisitos Adquisición Diseño e implementación Pruebas de conjunto, caracterización y 

optimización: UZ y LSC Conclusiones y trabajos futuros

Caracterizacióntiempo muerto

Medida el tiempo muerto en las distintas configuraciones:

IRQ vs. Poll, Escritura síncrona vs. Asíncrona Poll asynch. 1.97 ms, IRQ asynch 2.09 ms

Verificación de medidas saturando adquisición modelando respuesta a señales periódicas

Pruebas de conjuntoRuido Poll

OptimizaciónLatencia IRQ vs. Poll

OptimizaciónLatencia IRQ vs. Poll

IRQ = Poll

1.95 ms

Pruebas de conjunto

Dificultad de pruebas y ajustes en Canfranc Pruebas en Universidad de Zaragoza Generación de pulsos Prototipo y fuentes radioactivas

Imposibilidad de reproducir todas las condiciones Pruebas finales en Canfranc

ÍNDICE

Experimento ANAIS Infraestructrura ANAIS Requisitos Adquisición Diseño e implementación Pruebas de conjunto, caracterización y 

optimización: UZ y LSC Conclusiones y trabajos futuros

Conclusiones

Estabilidad Caracterización del sistema Optimización  Completo: adquisición y análisis Monitorización, automatización

Conclusiones

Trabajos futuros

Optimización de la EMC Análisis de datos: área a baja energía, otros 

parámetros Control de parámetros ambientales: temperatura, 

voltajes HV, flujo de radón, control de ruido, ... Parche linux tiempo real

Sistema de adquisición de datos para un experimento

de detección directa de materia oscura (ANAIS)

Transparencias extra

Tecnología Matacq

Caracterizacióntiempo muerto

Caracterizacióntiempo muerto

OptimizaciónLatencia IRQ vs. Poll

✗ Instrumentación driver bridge VME­PCI

✗ Parche tiempo real

✗ Planificador prioridades fijas POSIX: SCHED_FIFO

✔Generación IRQ con el trigger

OptimizaciónLatencia IRQ vs. Poll

OptimizaciónLatencia IRQ vs. Poll

Diseño: hardware detector

Diseño: hardware

Diseño – Implementación Software

Almacenamiento asíncrono Configuración: YAML Formato ROOT Descarga condicional

Diseño – Implementación Software

Pruebas de conjunto – Universidad Zaragoza

Pruebas de conjunto - LSC