Contributions to the new electronics of the AGATA gamma tracking detector. Design, implementation, test and integration of the digitizers control card

Resumen

El trabajo presentado en esta tesis se enmarca en el desarrollo de instrumentación para el estudio de la estructura nuclear mediante el empleo de espectrómetros gamma de alta resolución. Los continuos avances en la búsqueda de mejora de estos aparatos desde el punto de vista de resolución y eficiencia, así como la necesidad de incrementar la tasa de eventos por unidad de tiempo, han resultado, durante los últimos años, en una migración hacia el empleo de electrónica digital de alta rendimiento para el sistema de adquisición de datos de estos experimentos. En particular, esta tesis se centra en el diseño, programación, validación e integración de la tarjeta de control de los nuevos digitalizadores del multidetector AGATA (Advanced GAmma Tracking Array). La tarjeta de control se engloba en la nueva generación de electrónica, que, manteniendo la base conceptual y especificaciones, se ha diseñado con componentes de última generación, mejorando la integración, consumo y costes. En ese sentido, a nivel global, se ha conseguido una reducción de, aproximadamente, un 83% en el consumo y un 66% en los costes, así como una disminución del número de tarjetas, mejorando la funcionalidad del sistema. La tarjeta de control se encarga de proporcionar el reloj de digitalización a los convertidores Analógico-Digital de las tarjetas digitalizadoras, así como los pulsos de sincronismo de los datos provenientes del sistema de trigger y sincronismo del experimento. Además, implementa la comunicación con los dispositivos programables de las tarjetas del módulo digitalizador (incluida ella misma), cuyo control es realizado a través de la tarjeta de preprocesamiento. Las comunicaciones hacia la tarjeta de preprocesamiento son realizadas mediante enlaces ópticos de alta velocidad, mientras que las tarjetas digitalizadoras y de control se interconectan mediante un bus específico. La estructura de este documento comprende cinco capítulos. El primer capítulo hace una breve reseña a las peculiaridades de los experimentos de estructura nuclear realizados mediante aceleradores, así como en la instrumentación utilizada. Se centra en el proceso de detección de rayos gamma y define las características de los espectrómetros gamma. Después se presenta el array de detectores AGATA, así como las campañas experimentales ya finalizadas y por realizar. En el segundo capítulo se detalla la electrónica de AGATA: tanto la que corresponde a la que se desarrolló a principios de siglo para el demostrador de AGATA, así como la nueva generación en desarrollo, donde se engloba la tarjeta de control de los digitalizadores. Se presentan, por tanto, los detalles técnicos del sistema de electrónica de front-end actual, describiendo cada uno de los elementos de la cadena de adquisición. Una descripción similar se realiza para las tarjetas del nuevo sistema de adquisición. El tercer capítulo trata el diseño de la tarjeta de control. Presenta los antecendentes que han motivado la realización de la tarjeta, la necesidad del uso de la misma y los elementos fundamentales que la componen. Se incluyen asimismo los detalles del proceso de diseño, desde la concepción de la tarjeta a alto nivel hasta los detalles físicos de la misma, justificados según las especificaciones de la tarjeta. En el capítulo 4 se describen las pruebas realizadas aislando la tarjeta de control de los otros componentes del sistema, para poder validar que se cumplen las especificaciones de la misma a nivel de hardware. También se presentan los resultados de las pruebas de caracterización, que muestran las capacidades de la tarjeta y detallan su comportamiento en las distintas configuraciones disponibles, de forma que validan su comportamiento también en otros sistemas o condiciones de trabajo. El capítulo final muestra los resultados de la integración de las tarjetas de la nueva electrónica de front-end en la toma de datos reales provenientes de un detector de AGATA. Se detallan también las mejoras alcanzadas respecto al sistema actual así como el proceso de caracterización del sistema completo. Finalmente se incluyen las conclusiones del trabajo y se apuntan las posibles líneas futuras de investigación.