An application specific signal processor for gaseous detector systems in high energy physics experiment. (2021)
- Authors:
- Autor USP: SANCHES, BRUNO CAVALCANTE DE SOUZA - EP
- Unidade: EP
- Sigla do Departamento: PSI
- Subjects: MICROELETRÔNICA; PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAIS; ALGORITMOS GENÉTICOS; DETECÇÃO DE PARTÍCULAS
- Language: Inglês
- Abstract: Nesta tese foi realizado um estudo sobre front-ends para física de altas energias, tendo como foco a atualização do experimento ALICE (A Large Ion Collider Experiment) no LHC (Large Hadron Collider) do CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire). Devido a diversas alterações e a uma maior taxa de eventos, foi necessário desenvolvimento de um novo ASIC (Application Specific Integrated Circuit) para fazer a leitura dos sinais nos detectores TPC (Time-Projection Chamber) e MCH (Muon Tracking Chambers). Este chip foi denominado SAMPA (Serialized Analog-digital Multi-Purpose ASIC) e é um circuito integrado de sinal misto e leitura contínua com 32 canais. Este trabalho aborda fundamentalmente a parte digital deste chip e as melhorias, metodologias e estratégias utilizadas em seu desenvolvimento. O ASIC anteriormente utilizado no TPC apresentava eventos errôneos de travamento em seus filtros FIR (Finite Impulse Response) e visando uma solução para isso, foram melhorados o condicionamento de sinais e os filtros de correção de baseline em relação a sua tolerância a falhas e resistência a erros causados pela radiação. Foi implementado um novo filtro não linear complementar aos filtros existentes, de modo que a capacidade de estimativa de baseline ininterrupta pudesse ser atingida. Foi proposto um protocolo baseado em pacotes com capacidades de correção de erros, o qual tolera até duas falhas por cabeçalho ao custo de apenas 0,07% de largura de banda. Para alcançar a solução final para o CERN, quatro protótipos diferentes foram fabricados na tecnologia TSMC 130 nm, os ASICs SAMPA MPW1, V2, V3 e V4. Essas versões foram necessárias para obter de forma incremental um design otimizado que atendesse as várias restrições e especificaçõesexigidas. Iniciou-se por uma versão reduzida com 3 canais, que foi irradiada com prótons sendo a fonte inicial de dados de seção de choque do SAMPA. Foi então projetada a primeira versão completa do chip, o SAMPA V2 um ASIC com características únicas nunca realizado antes. Este chip foi testado funcionalmente e se aproximou das necessidades dos experimentos. Porém, irradiações mostraram problemas relacionados a latch-ups. Uma técnica de prevenção de latch-ups foi então desenvolvida, a qual foi aplicada nas novas versões do chip. Foi ainda proposto um sistema de otimização baseado em algoritmos genéticos com o objetivo de obter implementações balanceadas em relação a área, potência e tolerância a erros. Foram desenvolvidas mais duas versões do SAMPA, contendo correções e melhorias na resistência a radiação da parte digital, o SAMPA V3 e V4. Novas irradiações mostraram que o projeto estava adequado e um teste de laser pulsado confirmou as hipóteses levantadas sobre a origem dos latch-ups, sendo que com as alterações propostas, uma redução de mais de 99% da seção transversal foi alcançada. O SAMPA V4 foi bem-sucedido e aprovado para uso pelo ALICE. Um protótipo adicional denominado MPW5 foi posteriormente projetado, extendendo este trabalho por meio de avaliações comparativas e testes com o otimizador abordando novas implementações do filtro FIR e do SAR (Successive Approximation Register) ADC (Analog-to-Digital Converter). Os blocos foram testados e validados por meio de irradiações no acelerador Pelletron da USP (Universidade de São Paulo), onde obteve-se novos tempos médios entre falhas que apresentaram relevantes melhorias superiores a mil vezes, fornecendo importante base estrutural e experimental para novos projetos.
- Imprenta:
- Data da defesa: 05.10.2021
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ABNT
SANCHES, Bruno Cavalcante de Souza. An application specific signal processor for gaseous detector systems in high energy physics experiment. 2021. Tese (Doutorado) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2021. Disponível em: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3140/tde-27012022-155540/. Acesso em: 18 abr. 2024. -
APA
Sanches, B. C. de S. (2021). An application specific signal processor for gaseous detector systems in high energy physics experiment. (Tese (Doutorado). Universidade de São Paulo, São Paulo. Recuperado de https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3140/tde-27012022-155540/ -
NLM
Sanches BC de S. An application specific signal processor for gaseous detector systems in high energy physics experiment. [Internet]. 2021 ;[citado 2024 abr. 18 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3140/tde-27012022-155540/ -
Vancouver
Sanches BC de S. An application specific signal processor for gaseous detector systems in high energy physics experiment. [Internet]. 2021 ;[citado 2024 abr. 18 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3140/tde-27012022-155540/ - Successive approximation register ADC single event effects protection and evaluation
- Onchip digital calibrated 2 mW 12-bit 25 MS/s SAR ADC with reduced input capacitance
- SAMPA Chip: the New 32 Channels ASIC for the ALICE TPC and MCH Upgrades
- Measurement of electrons from heavy-flavour decays in p-Pb collisions at p sNN = 5.02 TeV with ALICE.
- A Monolithic 32-Channel Front End and DSP ASIC for Gaseous Detectors
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