Ηλεκτρονικό Σύστημα Ελέγχου και Συλλογής Δεδομένων

Transcript

1 7 Ηλεκτρονικό Σύστημα Ελέγχου και Συλλογής Δεδομένων Εισαγωγή Το ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου και συλλογής δεδομένων κάθε ορόφου, φιλοξενείται στην σφαίρα τιτανίου στο κέντρο της εξαγωνικής δομής και ποντίζεται μαζί με την υπόλοιπη ανιχνευτική διάταξη. Σχηματικά τα ηλεκτρονικά του ανιχνευτή χωρίζονται σε δύο κύριες μονάδες, σε αυτή που χειρίζεται τις λειτουργίες ελέγχου και παρακολούθησης του συστήματος (Housekeeping Board), και στην μονάδα που χειρίζεται την επεξεργασία του πειραματικού σήματος και την επικοινωνία με τον σταθμό ξηράς (Floor Board). Αυτές οι δύο μονάδες ηλεκτρονικών επικοινωνούν καλωδιακά και είναι προσαρμοσμένες πάνω σε ένα ειδικό πλαίσιο αλουμινίου (Σχήματα 7.3 και 7.5), το οποίο επίσης φέρει τοπικούς περιβαλλοντικούς αισθητήρες και τους μεταλλάκτες συνεχούς ρεύματος (dc-dc converters) που τροφοδοτούν τα διάφορα στοιχεία των ηλεκτρονικών. Όλες οι συνδέσεις των ηλεκτρονικών με τις συσκευές που βρίσκονται εκτός της σφαίρας τιτανίου πραγματοποιούνται μέσω ξεχωριστού πίνακα συνδέσεων πάνω στο υποπλαίσιο, έτσι ώστε η ηλεκτρονική διάταξη να μπορεί να αφαιρεθεί συνολικά και να δοκιμαστεί στο εργαστήριο. Το υποπλαίσιο είναι ηλεκτρικά μονωμένο από την σφαίρα τιτανίου. Το Σχήμα 7.1 περιγράφει συνοπτικά το σχηματικό διάγραμμα της σφαίρας τιτανίου, όπου φαίνονται το Floor Board, το Housekeeping Board, οι διάφοροι περιβαλλοντικοί αισθητήρες και οι μεταλλάκτες συνεχούς ρεύματος. Η επικοινωνία των ηλεκτρονικών διατάξεων του ανιχνευτή με το εργαστήριο της ξηράς γίνεται μέσω ειδικού ηλεκτρονικού συστήματος (Shore Board), το οποίο είναι εγκατεστημένο στον δίαυλο EISA του κύριου διακομιστή του συστήματος συλλογής δεδομένων (DAQ) του εργαστηρίου της ξηράς (βλέπε Παράγραφο 8.1 και αναφορά [126]). Η επικοινωνία μεταξύ του Shore Board και του Floor Board επιτυγχάνεται μέσω δύο μονότροπων οπτικών ινών του ηλεκτρο-οπτικού καλωδίου. Το σύστημα του Shore Board λαμβάνει τα πακέτα της πειραματική πληροφορίας μέσω ενός οπτικού δίαυλου (up-link), και τα φυλάσσει προσωρινά στην τοπική μνήμη την οποία φέρει. Παράλληλα εκπέμπει ένα καθολικό περιοδικό σήμα (ρολόι) μέσω του δεύτερου οπτικού δίαυλου (down-link) στο Floor Board για τον συγχρονισμό της επικοινωνίας, αποστέλλει εντολές για τον καθορισμό των παραμέτρων λειτουργίας 113

2 και βαθμονόμησης του ανιχνευτή και ελέγχει λειτουργίες που θα εκτελεστούν από το Housekeeping Board. Επιπλέον, μέσω του Shore Board υπάρχει η δυνατότητα επαναπρογραμματισμού των λογικών στοιχείων (FPGA/PLDs) 1 του Floor Board και η αλλαγή των παραμέτρων της λογικής ηλεκτρονικού σκανδαλισμού και επιλογής δεδομένων. Σχήμα 7.1: Σχηματικό διάγραμμα της σφαίρας τιτανίου και των ηλεκτρονικών που στεγάζονται σε αυτή. Στο Σχήμα παρουσιάζονται το Housekeeping Board και το Floor Board, τα οποία επικοινωνούν μέσω ενός πλακέ καλωδίου. Οι διάφοροι μεταλλάκτες συνεχούς είναι προσαρμοσμένοι πάνω στο πλαίσιο αλουμινίου και τροφοδοτούν τα ηλεκτρονικά στοιχεία και του περιβαλλοντικούς αισθητήρες. Οι κυματομορφές των φωτοπολλαπλασιαστών διαβάζονται από το Floor Board μέσω 12 LEMO καλωδίων τα οποία συνδέονται σε πίνακα συνδέσεων πάνω στο πλαίσιο αλουμινίου. Ένας δεύτερος πίνακας συνδέσεων χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της υψηλής τάσης των 12 φωτοπολλαπλασιαστών, τον έλεγχο των εξωτερικών μονάδων βαθμονόμησης και την ανάγνωση των εξωτερικών περιβαλλοντικών αισθητήρων από το Housekeeping Board. 1 FPGA αντιπροσωπεύει τα αρχικά των λέξεων Field Programmable Gate Array, και PLD αντιπροσωπεύει τα αρχικά των λέξεων Programmable Logic Device. 114

3 Στις επόμενες παραγράφους περιγράφεται λεπτομερώς η λειτουργία του Housekeeping Board και του Floor Board. 7.1 Το Housekeeping Board Το Housekeeping Board [127] ρυθμίζει την παροχή της ισχύος στους φωτοπολλαπλασιαστές, επιλέγει την τιμή και ελέγχει την υψηλή τάση που παράγεται εντός των οπτικών στοιχείων, ρυθμίζει και ελέγχει την λειτουργία των μονάδων βαθμονόμησης (εκπομπής φωτεινών παλμών), και καταγράφει την πληροφορία από διάφορους περιβαλλοντικούς αισθητήρες. Σχήμα 7.2: Σχηματικό διάγραμμα λειτουργίας του Housekeeping Board. Στο Σχήμα 7.2 περιγράφεται σχηματικά η λειτουργική δομή του Housekeeping Board. Το Housekeeping Board αποτελείται από τρία τμήματα: 1. 4 ADCs (Analog to Digital Converters) στα οποία γίνεται ψηφιοποίηση του αναλογικού σήματος εξόδου διάφορων περιβαλλοντικών αισθητήρων, του συστήματος ελέγχου της τροφοδοσίας των φωτοπολλαπλασιαστών, καθώς και του συστήματος ελέγχου της τροφοδοσίας των ηλεκτρονικών. Τα ADCs, 8 καναλιών το καθένα, παρέχουν ένα σύνολο από 32 κανάλια με 12-bit ακρίβεια ψηφιοποίησης. 2. Τέσσερα 12-bit DACs (Digital to Analog Converters), 4 καναλιών το καθένα, τα οποία χρησιμοποιούνται για τον καθορισμό της τάσης ελέγχου των 115

4 μεταλλακτών συνεχούς ρεύματος των Οπτικών Στοιχείων (βλέπε Παράγραφο 6.3 στην οποία περιγράφεται το Οπτικό Στοιχείο). 3. Ένα Relay Board μέσω του οποίου γίνεται ενεργοποίηση των μεταλλακτών συνεχούς των Οπτικών Στοιχείων με τροφοδοσία τους με 24V. Κάθε φωτοπολλαπλασιαστής ενεργοποιείται ή απενεργοποιείται, μέσω εντολών από το Shore Board (βλέπε Παράγραφο 8.1), οι οποίες χρησιμοποιούνται στο άνοιγμα ή κλείσιμο ενός ηλεκτρονόμου (relay) του Relay Board (τμήμα του Housekeeping Board). Μέσω του Relay Board τροφοδοτείται με τάση 24V ο μεταλλάκτης συνεχούς ρεύματος ο οποίος βρίσκεται μέσα στο Οπτικό Στοιχείο (βλέπε Παράγραφο 6.3) και παράγει την απαραίτητη υψηλή τάση για την λειτουργία του φωτοπολλαπλασιαστή. Η υψηλή τάση λειτουργίας του κάθε φωτοπολλαπλασιαστή καθορίζεται από την τάση ελέγχου (control voltage) που στέλνει το Housekeeping Board, μέσω των DACs, στον αντίστοιχο μεταλλάκτη συνεχούς ρεύματος του Οπτικού Στοιχείου. Η τιμή της εφαρμοζόμενης υψηλής τάσης παρακολουθείται από την καταγραφόμενη στα ADCs ενδεικτική τάση (monitor voltage), την οποία στέλνει ο μεταλλάκτης συνεχούς ρεύματος του Οπτικού Στοιχείου. Η τάση τροφοδοσίας των 24V του μεταλλάκτη συνεχούς, η τάση ελέγχου και η ενδεικτική τάση παρακολούθησης της υψηλής τάσης των φωτοπολλαπλασιαστών μεταδίδονται κατά μήκος του υβριδικού καλωδίου (μέσω του οποίου μεταδίδεται και το σήμα των φωτοπολλαπλασιαστών) στο Οπτικό Στοιχείο. Το Housekeeping Board ελέγχει επίσης την λειτουργία των μονάδων βαθμονόμησης (εκπομπής φωτεινών παλμών-led flasher units) (βλέπε Παράγραφο 8.1). Ειδικότερα, οι μονάδες βαθμονόμησης ενεργοποιούνται μέσω του Relay Board, μετά από εντολή του συστήματος ελέγχου του εργαστηρίου ξηράς και του Shore Board. Οι λειτουργικές τους παράμετροι καθορίζονται από σήματα ελέγχου τα οποία στέλνονται μέσω των υβριδικών καλωδίων στα ηλεκτρονικά της μονάδος βαθμονόμησης. Οι λειτουργικές παράμετροι αφορούν στην ένταση των φωτεινών παλμών των LEDs, την συχνότητα εκπομπής τους, καθώς και την διάρκεια λειτουργίας τους. Παράλληλα, το Housekeeping Board καταγράφει την πληροφορία από τους περιβαλλοντικούς αισθητήρες (πυξίδα και κλισιόμετρα, θερμόμετρα, υδρόμετρα και υγρόμετρα) (βλέπε Σχήμα 7.1) που βρίσκονται εντός της σφαίρας τιτανίου και από εξωτερικούς αισθητήρες (π.χ. πιεσόμετρα) που είναι τοποθετημένοι πάνω στην σκελετική δομή του ορόφου. Επίσης, ελέγχεται και η υψηλή τάση (300V) με την 116

5 οποία τροφοδοτείται ο ανιχνευτής, μέσω του ηλεκτρο-οπτικού καλωδίου, και η συνεχής τάση τροφοδοσίας του Floor Board και του Housekeeping Board. Η καταγραφόμενη πληροφορία (ψηφιοποιημένες τάσεις εξόδου των αισθητήρων από τα ADCs του Housekeeping Board) φυλάσσεται σε μία μονάδα μνήμης FIFO, η οποία στην συνέχεια διαβάζεται από το Floor Board μέσω της καλωδιακής γέφυρας που συνδέει τα δύο συστήματα ηλεκτρονικών. Στο Σχήμα 7.3 φαίνεται το Housekeeping Board μετά από την τοποθέτηση του στο αλουμινένιο πλαίσιο της σφαίρας τιτανίου και της σύνδεση του με τους διάφορους αισθητήρες και το Floor Board. Σχήμα 7.3: Το Housekeeping Board στην σφαίρα τιτανίου. 7.2 Το Floor Board Το Floor Board σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε στο LBNL (Lawrence Berkeley National Laboratory) [127], ενώ τα λειτουργικά του χαρακτηριστικά ελέγχθηκαν στο πλήρως εξοπλισμένο εργαστήριο ηλεκτρονικών του Ινστιτούτου ΝΕΣΤΩΡ [128]. Στις λειτουργίες του Floor Board συγκαταλέγονται η ανίχνευση των ηλεκτρικών παλμών από τους φωτοπολλαπλασιαστές, η εφαρμογή κριτηρίων επιλογής γεγονότων, η ψηφιοποίηση των κυματομορφών και η μορφοποίηση των γεγονότων [127,128]. Επίσης, το Floor Board είναι υπεύθυνο για την επικοινωνία με το Shore 117

6 Board: την σύνδεση (up-link) μέσω της οποίας στέλνονται τα δεδομένα στην ξηρά και την σύνδεση (down-link) μέσω της οποίας λαμβάνεται από το Floor Board το περιοδικό σήμα συγχρονισμού, οι εντολές και παράμετροι που αφορούν στην λειτουργία του ανιχνευτή. Στο Σχήμα 7.4 φαίνεται το σχηματικό διάγραμμα του Floor Board, όπου ξεχωρίζουν οι κύριες λειτουργίες και λειτουργικές συνιστώσες του, ενώ στο Σχήμα 7.5 φαίνεται το Floor Board κατά την τοποθέτηση του στο αλουμινένιο πλαίσιο μέσα στην σφαίρα τιτανίου. Σχήμα 7.4: Σχηματικό διάγραμμα λειτουργίας του Floor Board. Όταν το Floor Board ενεργοποιείται, αυτό-ρυθμίζεται διαβάζοντας την απαραίτητη πληροφορία από μια μονάδα μνήμης EEPROM, αποκτώντας έτσι τις απαιτούμενες παραμέτρους για πλήρη λειτουργικότητα. Επιπλέον, οι περισσότερες από τις λειτουργίες του μπορούν να επανά-προγραμματιστούν, μετά από εντολή από το Shore Board. 118

7 Το Floor Board στέλνει στο Housekeeping Board εντολές ελέγχου που αφορούν την ρύθμιση της υψηλής τάσης των φωτοπολλαπλασιαστών και τις παραμέτρους λειτουργίας των μονάδων βαθμονόμησης εκπομπής φωτεινών παλμών. Επίσης, λαμβάνει περιβαλλοντικά και άλλα δεδομένα από το Housekeeping Board, τα οποία στην συνέχεια τα στέλνει στην ξηρά μαζί με τις ψηφιοποιημένες κυματομορφές. Το Floor Board ψηφιοποιεί τους αναλογικούς παλμούς από τους 12 φωτοπολλαπλασιαστές μέσω ειδικών ολοκληρωμένων ADCs: των ψηφιοποιητών αναλογικού μεταβατικού σήματος (Analog Transient Waveform Digitizer ή ATWD) [129]. Κάθε ATWD έχει τέσσερα κανάλια με δυνατότητα ψηφιοποίησης 128 δειγμάτων το καθένα. Ο ρυθμός δειγματοληψίας των ATWD μπορεί να ρυθμιστεί μεταξύ των τιμών 200 ως 2000Msamples/sec, μετά από εντολή ελέγχου από το εργαστήριο ξηράς (βλέπε Παράγραφο 7.2.2). Κάθε Floor Board περιέχει 5 ATWD, παρέχοντας έτσι είκοσι κανάλια ψηφιοποίησης. Δώδεκα από αυτά χρησιμοποιούνται στην ψηφιοποίηση των κυματομορφών των φωτοπολλαπλασιαστών, ενώ πέντε κανάλια (ένα για κάθε ATWD) χρησιμοποιούνται στην ψηφιοποίηση της κυματομορφής του περιοδικού σήματος Σχήμα 7.5: Φωτογραφίες του Floor Board κατά την διαδικασία προσαρμογής του πάνω στο αλουμινένιο πλαίσιο της σφαίρας τιτανίου, όπου φαίνονται τα κανάλια εισόδου του σήματος των φωτοπολλαπλασιαστών, οι γραμμές χρονικής καθυστέρησης του σήματος πριν την είσοδο του στα ATWD, καθώς και οι λογικές μονάδες σκανδαλισμού και επικοινωνίας με την ξηρά (FPGAs) και η προγραμματιζόμενη λογική μονάδα (PLD) που ρυθμίζει τις κύριες παραμέτρους λειτουργίας. 119

8 συγχρονισμού (συχνότητας 40MHz), το οποίο εκπέμπεται από το Shore Board. Η ψηφιοποίηση του περιοδικού σήματος συγχρονισμού μας παρέχει την δυνατότητα να ελέγχουμε συνεχώς την σταθερότητα δειγματοληψίας και ψηφιοποίησης των κυματομορφών. Σε ένα επιπλέον κανάλι ψηφιοποιείται το σήμα που εκπέμπεται από το ηλεκτρονικό κύκλωμα εφαρμογής των κριτηρίων επιλογής δεδομένων (του σκανδαλισμού), παρέχοντας την απαραίτητη πληροφορία για τον έλεγχο και τον συγχρονισμό των ηλεκτρονικών συστημάτων από διαφορετικούς ορόφους. Σε ένα επιπλέον κανάλι ψηφιοποιείται το σήμα από εξωτερικούς σκανδαλισμούς 2, ενώ στο τελευταίο κανάλι που απομένει ψηφιοποιείται το σήμα που σηματοδοτεί την έναρξη της ψηφιοποίησης των κυματομορφών (βλέπε επόμενη Παράγραφο) Σκανδαλισμός Η επιλογή των γεγονότων από το Floor Board γίνεται με την χρήση της λογικής πλειονότητας σύμπτωσης [128]. Συγκεκριμένα, ένας σκανδαλισμός που σηματοδοτεί την έναρξη της ψηφιοποίησης των κυματομορφών των φωτοπολλαπλασιαστών, δημιουργείται όταν απαιτούμενο πλήθος (επίπεδο σύμπτωσης) από παλμούς φωτοπολλαπλασιαστών συμπίπτουν εντός χρονικού παράθυρου (παράθυρο σκανδαλισμού). Οι παλμοί των φωτοπολλαπλασιαστών οι οποίοι λαμβάνονται υπόψη στην διαδικασία σκανδαλισμού πρέπει να ξεπερνούν συγκεκριμένο κατώφλι (τυπικά ίσο με 30mV). Το επίπεδο σύμπτωσης, το παράθυρο σκανδαλισμού και το κατώφλι του σήματος των φωτοπολλαπλασιαστών καθορίζονται μετά από εντολή από το Shore Board στο εργαστήριο ξηράς. Το παράθυρο σκανδαλισμού μπορεί να ρυθμιστεί έτσι ώστε να καλύπτονται διαφορετικές μέγιστες αποστάσεις μεταξύ των φωτοπολλαπλασιαστών. Σύμφωνα με τις διαστάσεις του πρότυπου ανιχνευτή που ποντίστηκε (ένα αστέρι διαμέτρου 12 μέτρων) το παράθυρο σκανδαλισμού επιλέχθηκε ίσο με 60ns. Στη συνέχεια περιγράφεται η φιλοσοφία επιλογής δεδομένων και η υλοποίηση της από το ηλεκτρονικό σύστημα σκανδαλισμού που εκτελείται από το Floor Board. Οι παλμοί από τους 12 φωτοπολλαπλασιαστές διαδίδονται, μέσω των υβριδικών καλωδίων (εύρους ζώνης 80MHz) που συνδέουν τα Οπτικά Στοιχεία με την σφαίρα τιτανίου, στις 12 εισόδους του Floor Board. Η κάθε είσοδος, με χρήση ενός 2 Υπάρχει η δυνατότητα σκανδαλισμού ενός ορόφου όταν τα ηλεκτρονικά ενός άλλου ορόφου «αποφασίζουν» να συλλέξουν δεδομένα. Οι εξωτερικοί αυτοί σκανδαλισμοί ψηφιοποιούνται και οι ψηφιοποιημένοι παλμοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν για συγχρονισμό. 120

9 μετατροπέα απομόνωσης 3 (isolating transformer), λαμβάνει το σήμα του φωτοπολλαπλασιαστή το οποίο στην συνέχεια ενισχύεται κατά ένα παράγοντα 1.6, μέσω ολοκληρωμένων τελεστικών ενισχυτών χαμηλής παραμόρφωσης και υψηλού εύρου ζώνης (1 GHz). Το σήμα εξόδου από τους ενισχυτές είναι ένας αρνητικός παλμός (βλέπε Σχήμα 6.2) του οποίου η συνεχής συνιστώσα (baseline) τίθεται σε 2.9V, τιμή προγραμματιζόμενη από κατάλληλο DAC. Στη συνέχεια τα ενισχυμένα σήματα των φωτοπολλαπλασιαστών τροφοδοτούν το κύκλωμα του σκανδαλισμού, ενώ ταυτόχρονα στέλνονται μέσω γραμμών με χρονική καθυστέρηση (Delay Lines) στις μονάδες ψηφιοποίησης των κυματομορφών (ATWD) [128]. Το κύκλωμα του σκανδαλισμού αποτελείται από: Ένα κύκλωμα σύγκρισης (comparator) για κάθε κανάλι σήματος. Το κύκλωμα αυτό ανιχνεύει τους παλμούς συγκρίνοντας το σήμα εισόδου με ένα κατώφλι τάσης. Το κατώφλι αυτό μπορεί να μεταβληθεί σε βήματα του 1mV, μετά από εντολή που λαμβάνει το Floor Board από το Shore Board. Κατά την λειτουργία του ανιχνευτή στην θάλασσα τα κατώφλια του κάθε φωτοπολλαπλασιαστή είχαν τεθεί στην τιμή 4 των 30mV για την πλειοψηφία των δεδομένων που συλλέχθηκαν. Η έξοδος του κυκλώματος αυτού είναι ένας TTL παλμός όταν η είσοδος υπερβαίνει το κατώφλι τάσης. Ένα γεννήτορα παλμών προγραμματιζόμενου εύρους (programmable one-shot pulse generator ή Pulse Stretcher) για κάθε κανάλι σήματος, ο οποίος λαμβάνοντας στην είσοδο του παλμό τύπου TTL παλμό από τον comparator δημιουργεί ένα παλμό εύρους 30 έως 70 ns, μεταβλητού κατά βήματα των 10ns. Το εύρος ρυθμίζεται, μετά από εντολή από το Shore Board, και επιλέγεται να αντιστοιχεί στον χρόνο διάδοσης του φωτός στο νερό μεταξύ δύο ακρότατων σημείων του ανιχνευτή. Για ένα αστέρι διαμέτρου 12 μέτρων το αντίστοιχο εύρος είναι 60ns (η ταχύτητα του φωτός στο νερό είναι 0.22m/ns), παίρνοντας υπόψη και την διασπορά του χρόνου μετάδοσης (TTS) των παλμών των φωτοπολλαπλασιαστών (βλέπε Παράγραφο 11.3 και Σχήμα 11.10). Ένα ελεγκτή λογικής πλειονότητας (Majority Logic RAM Controller) που μετρά τον αριθμό των φωτοπολλαπλασιαστών, που έχουν παλμούς 3 Απομονώνει το σήμα από θόρυβο που υπάρχει στις συνδέσεις γειώσεως των καναλιών του σήματος. 4 Η τιμή αυτή αντιστοιχεί στο ¼ του μέσου ύψους των παλμών των φωτοπολλαπλασιαστών που δημιουργούνται από την εκπομπή ενός ηλεκτρονίου από την φωτοκάθοδο. 121

10 υψηλότερους από το κατώφλι τάσης, εντός του καθορισμένου χρονικού παραθύρου των 60ns. Ο ελεγκτής αυτός, ο οποίος περιλαμβάνει ένα πίνακα αντιστοίχησης (look-up table), λαμβάνει τους 12 παλμούς εξόδου των Pulse Stretchers, και δημιουργεί μια ψηφιακή λέξη εξόδου των 8-bit. Η λέξη αυτή περιγράφει το επίπεδο σύμπτωσης. Αν δύο ή περισσότεροι παλμοί επικαλύπτονται (συμπίπτουν) η ψηφιακή λέξη παίρνει την τιμή που αντιστοιχεί σε επίπεδο σύμπτωσης μεγαλύτερο ή ίσo του 2 (>=2). Ο ελάχιστος χρόνος επικάλυψης των παλμών είναι ίσος με 6ns. Η ψηφιακή λέξη παίρνει τιμές που αντιστοιχούν σε οκτώ διαφορετικά επίπεδα σύμπτωσης (coincidence levels): >=2, >=3,...,>=9. Ένα γεννήτορα σήματος σκανδαλισμού (Trigger Generator) ο οποίος στηρίζεται σε μια προγραμματιζόμενη λογική μονάδα PLD. Η λογική αυτή μονάδα διαβάζει την ψηφιακή λέξη από τον ελεγκτή λογικής πλειονότητας και εκπέμπει το σήμα σκανδαλισμού μόνο όταν το επίπεδο σύμπτωσης, στο οποίο αντιστοιχεί η ψηφιακή λέξη, ανταποκρίνεται σε προκαθορισμένη τιμή. Η προκαθορισμένη τιμή του επίπεδου σύμπτωσης ρυθμίζεται από τον ελεγκτή (Acquisition Controller), ο οποίος αποτελείται από μια λογική μονάδα FPGA, και μπορεί να μεταβληθεί μετά από εντολή από το Shore Board. Επιπλέον της ψηφιακής λέξης από τον ελεγκτή λογικής πλειονότητας, ο γεννήτορας του σήματος σκανδαλισμού διαβάζει και το σήμα εξωτερικού ή συμπαθητικού σκανδαλισμού (X-Floor Trigger). Το σήμα εξωτερικού σκανδαλισμού 5 εκπέμπεται από το Floor Board ενός άλλου ορόφου, και διαδίδεται κατά μήκος ομοαξονικού καλωδίου, μεταξύ των δυο αστεριών. Όταν ανιχνευτής δυο ορόφων τίθεται σε λειτουργία συμπαθητικού σκανδαλισμού (sympathetic trigger), τότε η εκπομπή του σήματος σκανδαλισμού από το κύκλωμα σκανδαλισμού του κάθε ορόφου συμβαίνει σε περίπτωση που το επίπεδο σύμπτωσης του ίδιου ή του άλλου ορόφου ανταποκρίνεται σε προκαθορισμένη τιμή. Η εκπομπή του σήματος σκανδαλισμού μπορεί να κατασταλεί με την εκπομπή ενός σήματος απενεργοποίησης Pre-Scaler Disable, το οποίο λαμβάνει ο γεννήτορας του σκανδαλισμού. Το σήμα αυτό εκπέμπεται από την μονάδα του Majority Logic Pre-Scaler, τμήμα του ελεγκτή διασύνδεσης (FPGA Interface 5 Το σήμα του εξωτερικού σκανδαλισμού μπορεί να χρησιμοποιηθεί, όπως προαναφέρθηκε, και για συγχρονισμό των περιοδικών σημάτων (ρολόι) των δύο ορόφων. 122

11 Control). Η λειτουργικότητα του Pre-Scaling χρησιμεύει στον περιορισμό του ρυθμού συλλογής και μετάδοσης των γεγονότων από το Floor Board. Όταν ο ανιχνευτής λειτουργεί σε επίπεδο σύμπτωσης n=3 από N=12 φωτοπολλαπλασιαστές και ο ρυθμός καταμέτρησης για κάθε φωτοπολλαπλασιαστή είναι r=60khz, η πλειοψηφία των γεγονότων οφείλεται σε τυχαία ενεργοποίηση των φωτοπολλαπλασιαστών από τις ραδιενεργές διασπάσεις του Κ 40. Ο ρυθμός σκανδαλισμού τότε μπορεί να εκτιμηθεί συνδυαστικά υπολογίζοντας την πιθανότητα να συμπέσουν 3 παλμοί από 12 φωτοπολλαπλασιαστές σε χρονικό παράθυρο W=60ns. Η εκτίμηση αυτή δίνει στην συγκεκριμένη περίπτωση ρυθμό σκανδαλισμού R ίσο με: N! 12!. (7.1) n!(n - n)! 3!9! n n R = n r W = 3 (60 10 ) (60 10 ) 500Hz Ο περιορισμός που θέτει στο ρυθμό σκανδαλισμού το κύκλωμα του σκανδαλισμού είναι ίσος με περίπου 2.3kHz. Η αλυσίδα της διαδικασίας ψηφιοποίησης των κυματομορφών, της μορφοποίησης των δεδομένων, της μετάδοσης τους στην ξηρά, της ανάγνωσης τους από την πλακέτα ξηράς και της αποθήκευσης τους στον τοπικό σκληρό δίσκο του διακομιστή της ξηράς θέτει επιπλέον περιορισμό στον ρυθμό συλλογής των δεδομένων, με αποτέλεσμα ο ρυθμός αυτός να έχει ένα μέγιστο όριο ίσο με 30Hz περίπου. Για τον περιορισμό του ρυθμού σκανδαλισμού των γεγονότων από το Floor Board χρησιμοποιείται ένας μετρητής στην λογική μονάδα του Majority Logic Pre-Scaler, ο οποίος παίρνει μια αρχική τιμή P μεταξύ του 1 και Κάθε φορά που ο ελεγκτής λογικής πλειονότητας ανιχνεύει μια σύμπτωση των παλμών των φωτοπολλαπλασιαστών, ο μετρητής αυτός ελαττώνεται κατά μια μονάδα. Όταν ο μετρητής παίρνει την τιμή μηδέν εκπέμπεται από τον Majority Logic Pre-Scaler ένα σήμα το οποίο λαμβάνει ο Trigger Generator και εκπέμπει το σήμα σκανδαλισμού, ενώ ταυτόχρονα ο μετρητής επαναφέρεται στην αρχική τιμή του P. Σαν αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας, ο ρυθμός εκπομπής των σημάτων σκανδαλισμού από τον Trigger Generator ελαττώνεται κατά ένα παράγοντα P, η τιμή του οποίου καθορίζεται μετά από εντολή από την ξηρά μέσω του Shore Board. Η εμφάνιση του σήματος σκανδαλισμού σηματοδοτεί την έναρξη της σύλληψης των κυματομορφών από τα ATWD. 123

12 7.2.2 Οι Γραμμές Χρονικής Καθυστέρησης και τα ATWD Το κάθε ένα από τα σήματα των φωτοπολλαπλασιαστών στέλνεται μέσω γραμμών χρονικής καθυστέρησης (Delay Lines) στις μονάδες ψηφιοποίησης των κυματομορφών (ATWD). Η παθητικές γραμμές χρονικής καθυστέρησης που επιλέχθηκαν είναι κατασκευασμένες από την Allen Avionics, μοντέλο AV1258 και έχουν τις ακόλουθες προδιαγραφές [128]: χρονική καθυστέρηση t d =250ns, εμπέδηση Z=75 Ohms, Αντίσταση συνεχούς R=8 Ohms, χρόνος ανόδου 6 r t =12.5ns, ζώνη εύρους Β=40MHz. Η τιμή της χρονικής καθυστέρησης των 250ns που επιλέχθηκε μας δίνει την δυνατότητα σύλληψης παλμών από τους φωτοπολλαπλασιαστές 250ns πριν από την εμφάνιση του σήματος σκανδαλισμού 7. Σε περίπτωση πόντισης ορόφων με πλήρεις διαστάσεις (32 μέτρα διάμετρος) ο μέγιστος χρόνος διάδοσης του φωτός στο νερό μεταξύ δύο φωτοπολλαπλασιαστών είναι 150ns, αρκετά μικρότερος από την τιμή των 250ns. Η χρόνος ανόδου των 12.5ns των γραμμών χρονικής καθυστέρησης σε σύγκριση με τον χρόνο ανόδου των 8ns των παλμών των φωτοπολλαπλασιαστών, καθώς επίσης και το περιορισμένο εύρος ζώνης (80MHz) διάδοσης σήματος των υβριδικών καλωδίων που μεταφέρουν το σήμα από τα Οπτικά Στοιχεία στην σφαίρα τιτανίου έχει ως αποτέλεσμα την παραμόρφωση των παλμών. Οι ψηφιοποιημένοι παλμοί ανακατασκευάζονται κατά την επεξεργασία του σήματος των φωτοπολλαπλασιαστών μέσω κατάλληλου λογισμικού κατά την ανάλυση των δεδομένων, κάνοντας χρήση μεθόδου μετασχηματισμών Fourier (βλέπε Παράγραφο 10.6). Η καρδιά του συστήματος ανάγνωσης και συλλογής δεδομένων είναι ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα ειδικής εφαρμογής (Application-Specific Integrated Circuit ή ASIC): o ψηφιοποιητής αναλογικού μεταβατικού σήματος (Analog Transient 6 Ο χρόνος ανόδου μιας γραμμής μετάδοσης σήματος ορίζεται ως ο χρόνος ανόδου του παλμού εξόδου από την γραμμή μετάδοσης, όταν η είσοδος της είναι τετραγωνικός παλμός μεγάλου εύρους (step function). Ο χρόνος ανόδου ενός παλμού ορίζεται ως το χρονικό διάστημα κατά το οποίο ο παλμός αυξάνεται από το 10% μέχρι το 90% του μέγιστου ύψους του. 7 Στην πραγματικότητα, επειδή η διαδικασία του σκανδαλισμού παίρνει κάποιο χρόνο (μερικές δεκάδες ns) μέχρι και την εμφάνιση του σήματος του σκανδαλισμού το διαθέσιμο αυτό παράθυρο για την ανίχνευση των προ-σκανδαλισμού παλμών είναι μικρότερο. Κατά την βαθμονόμηση του ανιχνευτή στο εργαστήριο, βρέθηκε ότι το παράθυρο αυτό αντιστοιχεί σε περίπου 200ns. 124

13 Waveform Digitizer ή ATWD) [127,129]. Κάθε ATWD, όπως αναφέρθηκε, έχει τέσσερα κανάλια ψηφιοποίησης το καθένα με 128 common-ramp, 10-bit, Wilkinson μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό σήμα (Analog to Digital Converter ή ADC). Οι μετατροπείς μετά από ενεργοποίηση ψηφιοποιούν το καθένα από τα 128 δείγματα του επιλεγμένου καναλιού. Μια ενεργός γραμμή καθυστέρησης δημιουργεί τις προϋποθέσεις δειγματοληψίας και έτσι δεν είναι απαραίτητο κανένα περιοδικό σήμα συγχρονισμού (ρολόι) για την δειγματοληπτική ψηφιοποίηση της κυματομορφής. Ο ρυθμός της δειγματοληψίας καθορίζεται από ένα και μόνο εξωτερικό ηλεκτρικό ρεύμα και μπορεί να μεταβάλλεται από 200 εκατομμύρια μέχρι και 2 δισεκατομμύρια δείγματα το δευτερόλεπτο. Στο Σχήμα 7.6 παρουσιάζεται η ψηφιοποιημένη κυματομορφή ενός φωτοπολλαπλασιαστή κατά την διάρκεια συλλογής δεδομένων στην βαθιά θάλασσα. Ο κάθετος άξονας αντιστοιχεί στον αριθμό καταμέτρησης του ADC (ADC count) που ψηφιοποίησε την κυματομορφή και ο οριζόντιος στον αύξοντα αριθμό δείγματος. Στην συνέχεια περιγράφεται η διαδικασία με την οποία οι αριθμοί καταμέτρησης μετατρέπονται σε τάση και ο αύξων αριθμός δείγματος σε χρόνο (βλέπε επίσης και Κεφάλαιο 10). Σχήμα 7.6: Ψηφιοποιημένος παλμός φωτοπολλαπλασιαστή. Η ενεργός γραμμή καθυστέρησης, η οποία καθορίζει τον ρυθμό δειγματοληψίας, δεν μπορεί να βαθμονομηθεί επακριβώς, αν και ο ρυθμός δειγματοληψίας για κάθε ATWD αναμένεται να είναι σταθερός 8. Για τον ακριβή καθορισμό των χρονισμών των παλμών των φωτοπολλαπλασιαστών είναι απαραίτητη η γνώση του διαστήματος δειγματοληψίας με πολύ καλή ακρίβεια. Για την ακριβή εκτίμηση της περιόδου δειγματοληψίας χρησιμοποιείται το περιοδικό σήμα των 40MHz που στέλνει το Shore 8 Όπως βρέθηκε κατά την διάρκεια βαθμονόμησης του συστήματος συλλογής των δεδομένων στο εργαστήριο, η περίοδος δειγματοληψίας αυξάνεται ελαφρώς με την θερμοκρασία του Floor Board κατά την διάρκεια λειτουργίας του. Η μεταβολή αυτή είναι της τάξης του 0.1%/degree. Το γεγονός αυτό δεν επηρεάζει την απόδοση του ανιχνευτή γιατί α)ο ανιχνευτής λειτουργεί σε περιβάλλον σταθερής θερμοκρασίας όπως είναι η βαθιά θάλασσα και β)η περίοδος δειγματοληψίας υπολογίζεται συνεχώς από γεγονός σε γεγονός. 125

14 Board, του οποίου η συχνότητα είναι γνωστή με πολύ καλή ακρίβεια και μπορεί ανά πάσα στιγμή να μετρηθεί στο εργαστήριο ξηράς. Το περιοδικό σήμα ψηφιοποιείται 9 (βλέπε Σχήμα 7.8a) σε ένα από τα κανάλια κάθε ATWD, προσφέροντας την δυνατότητα εκτίμησης με μεγάλη ακρίβεια της περιόδου δειγματοληψίας ξεχωριστά, για κάθε ATWD. Η εκτίμηση αυτή γίνεται για κάθε αρχείο πειραματικών δεδομένων που συλλέγονται από τον ανιχνευτή, όπως περιγράφεται στο Κεφάλαιο 10, κατά το στάδιο της επεξεργασίας του σήματος. Το Σχήμα 7.7 παρουσιάζει την σταθερότητα της περιόδου δειγματοληψίας για ένα ATWD κατά την διάρκεια μια εκτεταμένης χρονικής περιόδου λήψης δεδομένων. Κάθε καταχώριση στο ιστόγραμμα είναι η τιμή της περιόδου δειγματοληψίας η οποία εκτιμήθηκε χρησιμοποιώντας τις ψηφιοποιημένες κυματομορφές του περιοδικού σήματος των 40MHz, για κάθε γεγονός. Η τυπική απόκλιση αυτής της κατανομής είναι 5ps, η οποία είναι αμελητέα σε σύγκριση με την τιμή 3.66ns της μέσης περιόδου δειγματοληψίας. Σχήμα 7.7: Η κατανομή των τιμών της περιόδου δειγματοληψίας ενός ATWD, όπως εκτιμήθηκε από ένα δείγμα γεγονότων, που συλλέχθηκαν κατά τη λειτουργία του ανιχνευτή στη θάλασσα. Η καμπύλη αντιστοιχεί σε συνάρτηση Gauss με μέση τιμή και σίγμα ίσο με 3.66ns και 5ps αντίστοιχα. 9 Το περιοδικό σήμα που ψηφιοποιείται εκπέμπεται από ηλεκτρονικό κύκλωμα του Floor Board. Ένα περιοδικό σήμα ίδιας συχνότητας στέλνεται και από το Shore Board για τον συγχρονισμό των δύο μονάδων ηλεκτρονικών. Από εδώ και στο εξής θα λέμε ότι το περιοδικό σήμα στέλνεται από το Shore Board. 126

15 Σχήμα 7.8: Η ψηφιοποιημένη κυματομορφή από ένα ATWD του περιοδικού σήματος συχνότητας 40MHz (a) και του σήματος σκανδαλισμού που εκπέμπεται από το κύκλωμα σκανδαλισμού (b). Η συχνότητα δειγματοληψίας που αντιστοιχεί σε αυτήν την περίοδο ανέρχεται στα 273Msamples/sec για το συγκεκριμένο ATWD, ενώ και για τα υπόλοιπα ATWD κυμαίνεται μεταξύ των τιμών 273 ως 284 Msamples/sec. Η συχνότητα δειγματοληψίας που επιλέχθηκε για την ψηφιοποίηση των κυματομορφών των φωτοπολλαπλασιαστών είναι τέτοια ώστε επικαλυπτόμενοι παλμοί να μπορούν να αναγνωριστούν, ενώ ταυτόχρονα να παρέχεται μεγάλη δυναμική περιοχή (ενεργό χρονικό παράθυρο) για κάθε κανάλι του ATWD (~465ns). Στο κανάλι ενός από τα ATWD ψηφιοποιείται το σήμα σκανδαλισμού (Σχήμα 7.8b) που εκπέμφθηκε από τον γεννήτορα του σκανδαλισμού και διαβάστηκε στα ATWD για να αρχίσει η ψηφιοποίηση των κυματομορφών. Η χρονική σταθερότητα του σήματος σκανδαλισμού είναι απαραίτητη προϋπόθεση για την σωστή λειτουργία του συστήματος σκανδαλισμού και ψηφιοποίησης. Παρέχει επίσης την απαραίτητη πληροφορία που χρησιμοποιείται στους ελέγχους για τον συγχρονισμό του συστήματος και τους χρονισμούς των γεγονότων. Η ακμή (leading edge) του σήματος (Σχήμα 7.8b) από το κύκλωμα σκανδαλισμού αντιστοιχεί στην χρονική στιγμή όπου ο τελευταίος από τους παλμούς των φωτοπολλαπλασιαστών, οι οποίοι συμμετάσχουν στον σκανδαλισμό, υπερβαίνει σε τάση το κατώφλι επιλογής. Κατά την διάρκεια της 127

16 συλλογής των δεδομένων ελέγχεται συνεχώς (βλέπε Παραγράφους 8.4 και 10.8) η χρονική διαφορά μεταξύ του ψηφιοποιημένου σήματος του σκανδαλισμού και της εκτίμησης του χρόνου δημιουργίας του σκανδαλισμού. Η εκτίμηση αυτή γίνεται εφαρμόζοντας τα κριτήρια επιλογής γεγονότων στις ψηφιοποιημένες κυματομορφές των φωτοπολλαπλασιαστών κατά το στάδιο επεξεργασίας σήματος. (βλέπε Σχήμα 10.14). Ο απόλυτος χρονισμός (timestamp) του σκανδαλισμού χαρακτηρίζει τον χρόνο του αντίστοιχου γεγονότος. Σε ένα πολύ-επίπεδο ανιχνευτή ΝΕΣΤΩΡ, ο οποίος θα αποτελείται από πολλούς ορόφους, ο απόλυτος χρονισμός ενός γεγονότος ανά όροφο θα χρησιμοποιηθεί στην οικοδόμηση ενός καθολικού (global) γεγονότος συνδυάζοντας την πειραματική πληροφορία από πολλούς ορόφους. Ο απόλυτος χρονισμός καθορίζεται με αναφορά στο περιοδικό σήμα των 40MHz που εκπέμπεται από την ξηρά, μέσω ενός κυκλώματος το οποίο συγκρίνει το σήμα του σκανδαλισμού με την κυματομορφή του περιοδικού σήματος και καταγράφει τον αύξοντα αριθμό του μεγίστου του περιοδικού σήματος μετά το οποίο εμφανίστηκε το σήμα σκανδαλισμού. Ο αριθμός αυτός, ο οποίος αντιστοιχεί στον απόλυτο χρονισμό σε ακέραια πολλαπλάσια των 25ns (η περίοδος του περιοδικού σήματος συγχρονισμού) από την στιγμή που ενεργοποιήθηκε ο ανιχνευτής, μεταδίδεται στη στεριά μέσα στο πακέτο δεδομένων. Ταυτόχρονα εκπέμπεται από το ίδιο κύκλωμα το σήμα (Σχήμα 7.9) που συνέλαβε τον απόλυτο χρονισμό και το οποίο ψηφιοποιείται σε ένα επιπλέον κανάλι ενός ATWD. Στο Σχήμα 7.9 παρουσιάζεται το ψηφιοποιημένο σήμα που συλλαμβάνει τον απόλυτο χρονισμό μαζί με το περιοδικό σήμα στο ίδιο ATWD. Σχήμα 7.9: Το σήμα (κόκκινη γραμμή) που συλλαμβάνει τον απόλυτο χρονισμό ενός γεγονότος μαζί με την ψηφιοποιημένη κυματομορφή του περιοδικού σήματος (ρολόι) στο ίδιο ATWD. 128

17 Με σύγκριση του σήματος αυτού με την ψηφιοποιημένη κυματομορφή του περιοδικού σήματος συγχρονισμού (ρολόι) υπάρχει η δυνατότητα προσδιορισμού του απόλυτου χρονισμού με ακρίβεια καλύτερη από 1ns. Επιπλέον με την χρήση της λειτουργίας του συμπαθητικού σκανδαλισμού σε συνδυασμό με την γνώση του απόλυτου χρονισμού των γεγονότων για κάθε όροφο, γίνεται πλέον εφικτός ο συγχρονισμός των ορόφων του ανιχνευτή. Κάθε ένα από τα 128 Wilkinson ADCs ενός ATWD έχει διαφορετική μηδενική βάση ψηφιοποίησης (pedestal). Η βάση αυτή πρέπει να αφαιρεθεί από κάθε ένα από τα 128 δείγματα της ψηφιοποιημένης κυματομορφής του φωτοπολλαπλασιαστή, έτσι ώστε να τεθεί η γραμμή μηδενικής βάσης ψηφιοποίησης (base line) στο μηδέν. Η εκτίμηση των pedestals έγινε στο εργαστήριο, όπως περιγράφεται στα ακόλουθα, πριν τη πόντιση του ανιχνευτή και η σταθερότητα τους ελέγχονταν συνεχώς κατά την διάρκεια συλλογής των δεδομένων στην θάλασσα. Κατά την διάρκεια βαθμονόμησης των ATWD στο εργαστήριο, δύο κανάλια σήματος συνδέθηκαν με γεννήτρια παλμών, ενώ η είσοδος των υπόλοιπων δέκα καναλιών σήματος συνδέθηκε με τερματικές αντιστάσεις των 50Ω. Συλλέγοντας μεγάλο αριθμό γεγονότων με επίπεδο σκανδαλισμού συμπτώσεων 2, και χρησιμοποιώντας την ψηφιοποιημένη είσοδο των «κενών» καναλιών κατέστη δυνατή η εκτίμηση των pedestals. Κατά την διαδικασία αυτή εκτιμήθηκε το pedestal για κάθε ένα από τα 128 ADCs του ATWD ανά ψηφιοποιημένο γεγονός. Στην συνέχεια η τιμή του pedestal ανά ADC υπολογίστηκε ως ο μέσος όρος των τιμών που εκτιμήθηκαν κάνοντας χρήση μεγάλου πλήθους γεγονότων. Σχήμα 7.10: Τα pedestals των 128 δειγμάτων ενός καναλιού σήματος από ένα ATWD. 129

18 Ο ηλεκτρονικός θόρυβος, μικρού μεγέθους, που υπάρχει στα κανάλια του σήματος (βλέπε Παράγραφο 10.4) αναιρείται όταν εξάγεται η μέση τιμή από πολλά γεγονότα, διότι ο θόρυβος αυτός δεν είναι συσχετισμένος (correlated) με τη εμφάνιση του σκανδαλισμού. Στο Σχήμα 7.10 φαίνονται τα pedestals για καθένα από τα 128 δείγματα ενός καναλιού ATWD. Επιπλέον, κατά την βαθμονόμηση του ανιχνευτή στο εργαστήριο πριν από την πόντιση, τροφοδοτήθηκαν όλα τα κανάλια του σήματος με ένα ευρύ παλμό (εύρους ~200ns) και γνωστού ύψους από γεννήτρια παλμών και στην συνέχεια οι ψηφιοποιημένοι παλμοί χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό των απολαβών για κάθε κανάλι του ATWD. Στο Σχήμα 7.11 παρουσιάζονται οι απολαβές αυτές σε μονάδες αριθμού μέτρησης (counts) των Wilkinson ADCs ανά τάση εισόδου σε mv. Η σταθερότητα των απολαβών των καναλιών του σήματος μπορούν να ελεγχθούν και κατά την διάρκεια λειτουργίας του ανιχνευτή στην βαθιά θάλασσα με χρήση της ικανότητας ηλεκτρονικού σκανδαλισμού που έχει το Floor Board, όπως περιγράφεται στην επόμενη Παράγραφο. Σχήμα 7.11: Οι απολαβές των 12 καναλιών των ATWD όπως βαθμονομήθηκαν στο εργαστήριο. Από τα αριστερά προς τα δεξιά οι πρώτες τέσσερις τιμές αντιστοιχούν στα κανάλια Channel#1/ATWD#1-4, οι επόμενες στα κανάλια Channel#2/ATWD#1-4 και οι τελευταίες στα κανάλια Channel#3/ATWD# Εξαναγκασμένος σκανδαλισμός βαθμονόμησης Παράλληλα με τον σκανδαλισμό που προκαλείται από τους παλμούς των φωτοπολλαπλασιαστών, υπάρχει και η δυνατότητα να προκαλέσουμε ηλεκτρονικά εξαναγκασμένο σκανδαλισμό [128]. Ο ηλεκτρονικός σκανδαλισμός δημιουργείται μετά από εντολή από το σύστημα ελέγχου της ξηράς, μέσω του Shore Board, και 130

19 αρχίζει την διαδικασία ψηφιοποίησης και εκπομπής των δεδομένων. Αυτή είναι μια πολύ χρήσιμη λειτουργία, ειδικά κατά τη διάρκεια της διαδικασίας πόντισης, όπου οι φωτοπολλαπλασιαστές συνήθως δεν έχουν ενεργοποιηθεί. Ο εξαναγκασμένος σκανδαλισμός δημιουργείται από μία γεννήτρια παλμών που εμπεριέχει το Floor Board. Οι ηλεκτρικοί παλμοί που δημιουργεί η γεννήτρια, όταν χρησιμοποιούνται για βαθμονόμηση, τροφοδοτούν όλα τα κανάλια των ATWD, τα οποία σε κανονική λειτουργία λαμβάνουν σήματα εισόδου τους παλμούς των φωτοπολλαπλασιαστών. Οι παλμοί από τη γεννήτρια στην συνέχεια ψηφιοποιούνται, όπως ακριβώς θα συνέβαινε με τους φυσικούς παλμούς των φωτοπολλαπλασιαστών, προσφέροντας τη δυνατότητα συνεχούς ελέγχου και βαθμονόμησης της απολαβής (gain) κάθε καναλιού. Η λειτουργία της γεννήτριας παλμών ελέγχεται από ειδικό ελεγκτή, τμήμα της λογικής μονάδας FPGA Interface Controller, ο οποίος μετά από εντολή από το Shore Board καθορίζει το ύψος των παλμών, την συχνότητα εκπομπής τους και τη διάρκεια βαθμονόμησης. Επιπλέον η δυνατότητα εξαναγκασμένου σκανδαλισμού προσφέρει τα μέσα για την ακριβή εκτίμηση της καθυστέρησης που εισάγει κάθε γραμμή χρονικής καθυστέρησης, όπως περιγράφεται στην συνέχεια. Εκτός από τους παλμούς βαθμονόμησης της γεννήτριας (που διαδίδονται μέσω των γραμμών σήματος και ως εκ τούτου περνούν από τις γραμμές χρονικής καθυστέρησης), ένας άλλος παλμός, χωρίς καθυστέρηση, τροφοδοτεί το κανάλι 0 κάθε ATWD, το οποίο σε κανονική λειτουργία ψηφιοποιεί το περιοδικό σήμα συγχρονισμού (ρολόι). Συγκρίνοντας τον χρονισμό των καθυστερημένων παλμών κάθε καναλιού σήματος με αυτόν τον παλμό μπορούμε να εκτιμήσουμε την χρονική καθυστέρηση κάθε γραμμής καθυστέρησης. Στο Σχήμα 7.12 παρουσιάζεται ο ηλεκτρονικός παλμός βαθμονόμησης για ένα κανάλι ενός ATWD. Το ύψος του ευρύ παλμού της κυματομορφής καθορίζεται μετά από εντολή από τον διακομιστή του συστήματος συλλογής των δεδομένων και είναι γνωστό με πολύ καλή ακρίβεια. Συγκρίνοντας το ύψος του ψηφιοποιημένου παλμού (=250 ADC counts) με το γνωστό ύψος του παλμού όπως παράγεται από την γεννήτρια μετά από επιλογή του χρήστη (=450mV), υπολογίζουμε την απολαβή για το συγκεκριμένο κανάλι (=450/250=1.8 mv/count). 131

20 Σχήμα 7.12: Ο ηλεκτρονικός παλμός βαθμονόμησης για συγκεκριμένο κανάλι σήματος ενός ATWD. Ο κατακόρυφος άξονας αντιστοιχεί στην ένδειξη του μετρητή για κάθε Wilkinson ADC του ATWD μετά την αφαίρεση των pedestals Επιπρόσθετη πληροφορία και αποστολή των πειραματικών δεδομένων στην ξηρά Οι ψηφιακές λέξεις των 10-bit από τα ATWD, κωδικοποιημένες σε gray-code, συνδυάζονται με επιπρόσθετη πληροφορία πριν σταλούν στην ξηρά, σαν πακέτα δεδομένων. Η επιπρόσθετη πληροφορία καταγράφεται σειριακά στο πέμπτο bit της κάθε λέξης των 16-bit (βλέπε Παράρτημα Α) και αποτελείται από: Μια ψηφιακή λέξη των 60-bit που αντιστοιχεί στον μετρητή του απόλυτου χρονισμού (Time Stamp Counter), ο οποίος μετρά τα μέγιστα του περιοδικού σήματος (ρολόι) των 40MHz. Ο μετρητής αυτός μηδενίζεται και αρχίζει την καταμέτρηση την στιγμή που το Floor Board τροφοδοτείται με τάση, και μας παρέχει τον χρόνο έναρξης της ψηφιοποίησης σε ακέραιο πολλαπλάσιο της περιόδου του ρολογιού (25ns). 20-bit ψηφιακές λέξεις που αντιστοιχούν στους καταμετρητές παλμών των φωτοπολλαπλασιαστών, οι οποίοι μετράνε των αριθμό των παλμών των φωτοπολλαπλασιαστών που ξεπερνούν το προκαθορισμένο κατώφλι και ανιχνεύονται μεταξύ δύο διαδοχικών σκανδαλισμών. Από τους μετρητές αυτούς και με την χρήση του απόλυτου χρονισμού των γεγονότων μπορεί να υπολογιστεί ο ρυθμός καταμέτρησης για κάθε φωτοπολλαπλασιαστή. Ψηφιακή λέξη των 20-bit που αντιστοιχεί στον μετρητή γεγονότων, ο οποίος μετράει τον αριθμό των πακέτων δεδομένων που έχουν σταλεί από το Floor Board στην στεριά από την αρχή λειτουργίας του συστήματος συλλογής των 132