Elettronica di acquisizione e strumentazione per sensori innovativi per Elettra 2.0

Highly advanced scientific research usually requires an ad-hoc instrumentation, which is specifically designed for a single application. Relying exclusively on this approach always demands the development of a new system, a very expensive and time-consuming task, often not compatible with the urgency occurring in many scientific cases to address. This research rests on the idea of employing an innovative instrumental architecture based on a high degree of modularity, which allows the inheritance of common sections adopted in multiple scenarios and the design and development of the additional electronics exclusively, according to the specific experimental requirements. To fulfill this objective, a powerful FPGA-based platform has been developed, which will be the common platform for a large part of instrumentation that will be developed at Elettra in the future. This architecture has been deployed in two study cases: non-equilibrium optical spectroscopy and X-ray detection based on GaAs avalanche photodiodes. To finalize the different systems, mezzanine boards were developed which host all the necessary components to extend the functionalities and satisfy all the experimental requirements. Testing has demonstrated that, thanks to the high modularity, the acquisition system can be easily and quickly customized to different scientific fields confirming the flexibility and versatility of the proposed architecture.

Molto spesso la ricerca scientifica più avanzata richiede strumenti “ad hoc”, specifici del caso sperimentale che si deve affrontare. Questo pone un grande problema per chi deve andare incontro a queste esigenze sviluppando strumentazione scientifica, la quale, oltre ad essere particolarmente impegnativa sotto il profilo tecnico, richiede di volta in volta soluzioni assai diverse. Partire ogni volta da zero sviluppando uno strumento adatto richiede un costo enorme in termini temporali, spesso incompatibile con l’urgenza che accompagna l’importanza dei casi scientifici in esame. L’idea innovativa che sta alla base di questa ricerca è di sviluppare un’architettura strumentale che non insegua di volta in volta le nuove sfide sviluppando ogni volta da zero ciò che serve, bensì si configuri come un’architettura altamente modulare che consenta di ereditare le sezioni comuni, dovendo sviluppare in maniera differente solo le sezioni strettamente specializzate per l’esperimento a seconda delle diverse situazioni e necessità. A questo scopo è stata sviluppata una piattaforma basata su FPGA che costituirà l’architettura di base comune a gran parte degli strumenti che verranno sviluppati ad Elettra. Questa architettura è stata messa alla prova in due reali casi scientifici, ovvero lo sviluppo di uno strumento per esperimenti di spettroscopia ottica di non equilibrio e di un rivelatore di raggi X basato su sensori APD in GaAs. In base alle necessità sperimentali sono stati individuati i componenti necessari per lo sviluppo di schede periferiche con cui specializzare il sistema per ogni particolare applicazione. I primi casi affrontati hanno dimostrato che, grazie all’elevata modularità, il sistema può essere facilmente e velocemente adattato a diversi ambiti scientifici confermando la flessibilità e la versatilità dell’architettura proposta.