Defensa del trabajo fin de máster

1. Sistema de adquisición de
datos para un experimento
de detección directa de
materia oscura (ANAIS)
Miguel Ángel Oliván
TFM Dirigido por: Enrique F. Torres Moreno
Máster en Ingeniería de Sistemas e Informática 2011/2012
Posgrado en Ingeniería Informática

2. Experimento ANAIS –
Materia oscura
 23% del universo parece ser materia oscura
 Cúmulo bala
 Velocidad de rotación de las galaxias espirales

3. 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

4. ÍNDICE
 Experimento ANAIS
 Infraestructrura ANAIS
 Requisitos Adquisición
 Diseño e implementación
 Pruebas de conjunto, caracterización y
optimización: UZ y LSC
 Conclusiones y trabajos futuros

5. 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

6. 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

7. ÍNDICE
 Experimento ANAIS
 Infraestructrura ANAIS
 Requisitos Adquisición
 Diseño e implementación
 Pruebas de conjunto, caracterización y
optimización: UZ y LSC
 Conclusiones y trabajos futuros

8. Infraestructura ANAIS

9. Infraestructura ANAIS

10. ÍNDICE
 Experimento ANAIS
 Infraestructrura ANAIS
 Requisitos Adquisición
 Diseño e implementación
 Pruebas de conjunto, caracterización y
optimización: UZ y LSC
 Conclusiones y trabajos futuros

11. Requisitos - Señal

12. Requisitos Adquisición
 Bajo umbral de detección
 Resolución temporal ~ ns
 Escalabilidad
 Estabilidad y monitorizabilidad
 Tiempo muerto: medir, acotar y reducir

13. ÍNDICE
 Experimento ANAIS
 Infraestructrura ANAIS
 Requisitos Adquisición
 Diseño e implementación
 Pruebas de conjunto, caracterización y
optimización: UZ y LSC
 Conclusiones y trabajos futuros

14. Diseño
 Etapas analógicas y trigger por detector
 Digitalización de señal y otros parámetros en
módulos en un bus VME
 Software de adquisición

15. Diseño: hardware detector

16. 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

17. Diseño: software

18. 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)

19. 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

20. Diseño – Poll

21. Diseño – IRQ

22. ÍNDICE
 Experimento ANAIS
 Infraestructrura ANAIS
 Requisitos Adquisición
 Diseño e implementación
 Pruebas de conjunto, caracterización y
optimización: UZ y LSC
 Conclusiones y trabajos futuros

23. Caracterización
tiempo 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

24. Pruebas de conjunto
Ruido Poll

25. Optimización
Latencia IRQ vs. Poll

26. Optimización
Latencia IRQ vs. Poll
IRQ = Poll
1.95 ms

27. 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

28. ÍNDICE
 Experimento ANAIS
 Infraestructrura ANAIS
 Requisitos Adquisición
 Diseño e implementación
 Pruebas de conjunto, caracterización y
optimización: UZ y LSC
 Conclusiones y trabajos futuros

29. Conclusiones
 Estabilidad
 Caracterización del sistema
 Optimización
 Completo: adquisición y análisis
 Monitorización, automatización

30. Conclusiones

31. 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

32. Sistema de adquisición de
datos para un experimento
de detección directa de
materia oscura (ANAIS)

33. Transparencias extra

34. Tecnología Matacq

35. Caracterización
tiempo muerto

36. Caracterización
tiempo muerto

37. Optimización
Latencia IRQ vs. Poll
✗ Instrumentación driver bridge VME­PCI
✗ Parche tiempo real
✗ Planificador prioridades fijas POSIX: SCHED_FIFO
✔Generación IRQ con el trigger

38. Optimización
Latencia IRQ vs. Poll

39. Optimización
Latencia IRQ vs. Poll

40. Diseño: hardware detector

41. Diseño: hardware

42. Diseño – Implementación
Software
 Almacenamiento asíncrono
 Configuración: YAML
 Formato ROOT
 Descarga condicional

43. Diseño – Implementación
Software

44. Pruebas de conjunto –
Universidad Zaragoza

45. Pruebas de conjunto - LSC