Research and development of the electronics and data acquisition system for the new small wheel upgrade of the ATLAS detector at CERN and performance evaluation of the micromegas chamber
Authors: Μπακάλης Χρήστος 
Published: November 2021

Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (Large Hadron Collider (LHC)), του Ευρωπαϊκού Κέντρου Πυρηνικών Ερευνών (CERN) ξεκίνησε να επιταχύνει τις πρώτες του δέσμες το 2008. Από τις πρώτες μέρες λειτουργίας του, ο LHC έχει επιτρέψει στην επιστημονική κοινότητα να τελέσει πρωτοπόρα πειράματα, που έχουν σαν στόχο να απαντήσουν θεμελιώδη ερωτήματα για τη φύση της ύλης και της ενέργειας. Επειδή τα πειράματα φυσικής υψηλών ενεργειών είναι βασισμένα στη συλλογή δεδομένων μεγάλης κλίμακας, η αύξηση του ρυθμού αντιδράσεων θεωρείται θέμα μείζονας σημασίας. Όσο πιο υψηλός ο ρυθμός αλληλεπιδράσεων, τόσο περισσότερα δεδομένα καταγράφονται, και σπάνια φαινόμενα που υπό άλλες συνθήκες θα επικαλύπτονταν από άλλες διεργασίες, περισσότερο συχνές, θα μπορέσουν να μελετηθούν. Για το λόγο αυτό, ο LHC θα προβεί στις ανάλογες αναβαθμίσεις, οι οποίες θα αυξήσουν την ενέργεια κέντρου μάζας, και την φωτεινότητά του. Επιπλέον αναβαθμίσεις που θα οδηγήσουν στην Phase-II 2026-2038, θα αυξήσουν τη φωτεινότητα ακόμα περισσότερο, με την ενέργεια κέντρου μάζας να φτάνει τα 14 TeV. Η αύξηση της φωτεινότητας θα οδηγήσει και σε αύξηση του ρυθμού αλληλεπιδράσεων, άρα και στη ροή σωματιδίων που διαπερνούν τους ανιχνευτές του μεγάλου επιταχυντή αδρονίων. Για αυτό το λόγο ο ανιχνευτής Toroidal LHC ApparatuS (ATLAS), που είναι ο μεγαλύτερος του LHC, θα αντικαταστήσει τα εσωτερικά καπάκια του μιονικού φασματομέτρου κατά τη διάρκεια της δεύτερης μεγάλης παύσης. Η αναβάθμιση New Small Wheel (NSW) όπως καλείται, θα αποτελείται από δύο τεχνολογίες ανιχνευτών, τους Micromegas (MM) και τους small-strip Thin Gap Chambers (sTGC). Ο NSW έχει σχεδιαστεί να υπομένει το αυξημένο υπόβαθρο λόγω των αναβαθμίσεων του επιταχυντή, προσφέροντας δεδομένα ανακατασκευής τροχιών μιονίων στον ATLAS, καθώς και πληροφορίες σκανδαλισμού. Ο ακρογωνιαίος λίθος του συστήματος ανάγνωσης δεδομένων του NSW, είναι το VMM Application-Specific Integrated Circuit (ASIC), μία ηλεκτρονική μονάδα που θα χρησιμοποιηθεί και από τις δύο τεχνολογίες ανιχνευτών του NSW. Λόγω του σχεδιασμού του, το VMM έχει προταθεί και σε μία πληθώρα άλλων πειραμάτων που κάνουν χρήση ανάλογων ανιχνευτικών συστημάτων. Το VMM αποτελείται από 64 ανεξάρτητα κανάλια, κάθε ένα εκ των οποίων προβαίνει σε μετρήσεις ακριβείας πάνω στους ηλεκτρονικούς παλμούς που δημιουργούνται από τους ανιχνευτές όταν διαπεραστούν από μιόνια, ενώ προσφέρει και γρήγορα δεδομένα για το σύστημα σκανδαλισμού του ATLAS. Η πρώτη έκδοση του VMM έκανε την εμφάνισή του το 2012, και μετά από τέσσερις εκδόσεις, αποφάνθηκε ότι είναι έτοιμο να εξυπηρετήσει τις ανάγκες του NSW. Καμία από αυτές τις αναβαθμίσεις δεν θα μπορούσε να είχε ολοκληρωθεί, αν δεν υπήρχε μία αξιόπιστη πλατφόρμα χαρακτηρισμού της μονάδας. Αυτή η πλατφόρμα ήρθε στη μορφή του VMM Readout System (VRS), που κάνει χρήση μονάδων Field-Programmable Gate Array (FPGA), προκειμένου να ληφθούν τα δεδομένα από το VMM, και να διαμορφωθεί τη λειτουργία του. Με έμφαση στην ευελιξία, το υλικολογισμικό των FPGA του VRS, είχε σχεδιαστεί με τέτοιο τρόπο προκειμένου να εξυπηρετήσει διάφορα σενάρια λήψης δεδομένων (π.χ. εργαστηριακές συνθήκες χωρίς ανιχνευτή, ή τεστ-δέσμης). Ένα μεγάλο κομμάτι της παρούσας διατριβής αφιερώνεται στην περιγραφή της αρχιτεκτονικής του εν λόγω υλικολογισμικού, που αναπτύχθηκε για να καλύψει τις ανάγκες της αναβάθμισης του ATLAS NSW. Το σύστημα χρησιμοποιήθηκε για να επιβεβαιώσει την ορθή λειτουργία του VMM, να κάνει τον μαζικό έλεγχο των τελικών μονάδων του VMM πριν αυτά εγκατασταθούν στον ATLAS, και να λάβει τα δεδομένα από το VMM, μαζί με τον ανιχνευτή Micromegas, σε συνθήκες τεστ-δέσμης. Μετά την παραγωγή των τελικών μονάδων ASIC που διαβάζουν και διαμορφώνουν τις λειτουργίες του VMM στο πείραμα ATLAS, το σύστημα που βασιζόταν σε FPGA αντικαταστάθηκε από το τελικό, που είχε σα βάση ένα σύστημα λήψης δεδομένων επόμενης γενιάς, που ονομάζεται Front-End LInk eXchange (FELIX). Ένα ποσοστό της παρούσας εργασίας περιγράφει τα εργαλεία λογισμικού που αναπτύχθηκαν προκειμένου να διευκολυνθεί η διαδικασία ενσωμάτωσης του ηλεκτρονικού συστήματος του NSW με το FELIX. Επίσης, τα εν λόγω πακέτα λογισμικού χρησιμοποιήθηκαν και για στη διαδικασία ελέγχου της ορθής λειτουργίας των τελικών ανιχνευτών του Micromegas, πριν αυτοί εγκατασταθούν στον ATLAS, καθώς τα δεδομένα τους λαμβάνονταν από το τελικό σύστημα λήψης δεδομένων. Το τελευταίο Κεφάλαιο της παρούσας διατριβής, αφιερώνεται στην περιγραφή του Slow Control Adapter eXtension (SCAX), το οποίο είναι ένα πακέτο υλικολογισμικού που ενσωματώνεται σε ένα FPGA και μιμείται μία βασική ηλεκτρονική μονάδα του NSW, ονόματι SCA ASIC. Το SCA είναι μια μονάδα που βρίσκεται στα ηλεκτρονικά του NSW, και χρησιμοποιείται για τη διαμόρφωση των λειτουργιών όλων των άλλων μονάδων ASIC του συστήματος. To SCAX από την άλλη, έχει σχεδιαστεί για να υποστηρίξει FPGA που είναι επίσης μέρος του συστήματος ηλεκτρονικών του ATLAS, και βρίσκονται μακριά από περιοχές υψηλής ραδιενέργειας. Δίνει τη δυνατότητα στο χρήστη του να γράψει παραμέτρους διαμόρφωσης λειτουργιών στη λογική του FPGA που βρίσκεται, και να αναγνώσει τιμές κατάστασης από καταχωρητές του υπόλοιπου υλικολογισμικού. Το SCAX μιμείται το πρωτόκολλο I2C που το SCA χρησιμοποιεί για να επικοινωνήσει με άλλες συσκευές, ενώ επίσης μιμείται και το πρωτόκολλο μεταξύ αυτού και του συστήματος FELIX. Με αυτόν τον τρόπο, επιτρέπει τη χρήση της ήδη υπάρχουσας υποδομής λογισμικού και ηλεκτρονικών, ώστε να διαμορφώσει τις λειτουργίες του FPGA μέσα στο οποίο έχει υλοποιηθεί. Το SCAX χρησιμοποιείται από τον επεξεργαστή σκανδαλισμού του NSW, και μπορεί να χρησιμοποιηθεί από οποιοδήποτε FPGA που επικοινωνεί με το FELIX.