Estrazione di caratteristiche in tempo reale per sistemi di acquisizione dati senza trigger in esperimenti di fisica delle particelle

The COmmon Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy (COMPASS) spectrometer at CERN is upgrading part of its detectors and data acquisition system to handle larger event sizes, owing to a higher channel quantity and higher event rates. Starting in 2023, the experiment will formally be called AMBER, and its spectrometer will have approximately 100 million data channels. Owing to the progress in microelectronics and SoC-FPGA technology, it has become possible to read and process data coming from detectors without the classical data reduction of a Level-1 trigger schema. For AMBER data acquisition the migration to a Level-1 trigger free architecture, known as trigger-less DAQ was proposed. This architecture upgrade allows for the generation of more statistics for further analysis. The trigger-less operation requires a new type of frontend electronics capable of working in a free-running mode for detectors readout. Due to the intensive processing requirements and the need for high-speed serial data transmission, some of the devices that are currently installed for the readout of the detectors are not capable of working in a trigger-less DAQ, so they need to be replaced. The main purpose of this thesis is to propose, design and develop a new trigger-less readout system for the 3068-channel ECAL2 detector of the COMPASS/AMBER experiment. For this purpose, a hardware platform for front-end electronics was developed using the current digitizer board (MSADC, FPGA-based) and as core component a high-performance MPSoC Ultrascale+ SoM device for processing the data coming from 16 channels at 960 Mbit/s each. The modular hardware design allows its use with different front-end readouts and SoM families. All firmware for the FPGAs and processors was developed and a digital pulse processor (DPP) for real-time data features extraction in a trigger-less system was implemented. The DPP is the core component for pulse processing, including methods for extracting the pulse amplitude value and pulse shape discrimination. These methods are based on a mathematical model of typical pulses acquired from a detector prototype. Besides features extraction, the DPP is also prepared to send traces containing whole pulses for further studies. With this new frontend electronics, the ECAL2 can work in a free-running and trigger-less mode and with the addition of a DPP the amount of transmitted data is drastically reduced, saving further processing time and storage resources. ​

Lo spettrometro COmmon Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy (COMPASS) del CERN sta aggiornando parte dei suoi rivelatori e del sistema di acquisizione dei dati per gestire eventi di dimensioni maggiori, a causa di una maggiore quantità di canali e di tassi di eventi più elevati. A partire dal 2023, l'esperimento si chiamerà formalmente AMBER e il suo spettrometro avrà circa 100 milioni di canali di dati. Grazie ai progressi della microelettronica e della tecnologia SoC-FPGA, è diventato possibile leggere ed elaborare i dati provenienti dai rivelatori senza la classica riduzione dei dati di uno schema di trigger di livello 1. Per l'acquisizione dei dati di AMBER, la migrazione dei dati è stata effettuata in modo tale da poterli analizzare in un secondo momento. Per l'acquisizione dei dati AMBER è stata proposta la migrazione a un'architettura priva di trigger di livello 1, nota come trigger-less DAQ. Questo aggiornamento dell'architettura consente di generare un maggior numero di statistiche per ulteriori analisi. Il funzionamento senza trigger richiede un nuovo tipo di elettronica di front-end in grado di lavorare in modalità free-running per la lettura dei rivelatori. A causa dei requisiti di elaborazione intensiva e della necessità di trasmissione seriale dei dati ad alta velocità, alcuni dei dispositivi attualmente installati per la lettura dei rivelatori non sono in grado di lavorare in modalità trigger-less DAQ, quindi devono essere sostituiti. Lo scopo principale di questa tesi è proporre, progettare e sviluppare un nuovo sistema di lettura trigger-less per il rivelatore ECAL2 a 3068 canali dell'esperimento COMPASS/AMBER. A tal fine, è stata sviluppata una piattaforma hardware per l'elettronica di front-end utilizzando la scheda digitalizzatrice di corrente (MSADC, basata su FPGA) e come componente principale un dispositivo MPSoC Ultrascale+ SoM ad alte prestazioni per l'elaborazione dei dati provenienti da 16 canali a 960 Mbit/s ciascuno. Il design modulare dell'hardware ne consente l'uso con diversi front-end di lettura e famiglie di SoM. È stato sviluppato tutto il firmware per le FPGA e i processori ed è stato implementato un processore di impulsi digitali (DPP) per l'estrazione delle caratteristiche dei dati in tempo reale in un sistema senza trigger. Il DPP è il componente principale per l'elaborazione degli impulsi, compresi i metodi per l'estrazione del valore dell'ampiezza dell'impulso e la discriminazione della forma dell'impulso. Questi metodi si basano su un modello matematico di impulsi tipici acquisiti da un prototipo di rivelatore. Oltre all'estrazione delle caratteristiche, il DPP è anche predisposto per inviare tracce contenenti impulsi interi per ulteriori studi. Con questa nuova elettronica di front-end, l'ECAL2 può lavorare in modalità free-running e trigger-less e, con l'aggiunta di un DPP, la quantità di dati trasmessi si riduce drasticamente, risparmiando ulteriore tempo di elaborazione e risorse di archiviazione.