Development of a 192-channel acquisition platform for the TRISTAN project

This thesis lies within the TRISTAN project, whose goal is to measure the mass of a hypothetical neutrino flavor, named sterile since it does not take part in any weak interaction. The project will examine the full spectrum of a β decay of a Tritium source. The presence of keV range sterile neutrinos would be justified by a kink-like distortion in the aforementioned spectrum. Due to the high amount of events that have to be acquired in order to form the spectrum, the detector has been divided into more than 3000 pixels. Each pixel is formed by a Silicon Drift Detector (SDD), which thanks to the high active area and low stray capacitance, was a optimal candidate for the project. In particular, the thesis aims at the development of a 166 channel acquisition system for the project’s monitor spectrometer. The system is based on a modular structure made of four acquisition units named Kerberos, each capable of the readout of up to 48 channels, and a data concentrator unit. The data acquisition unit is built around an analog front end ASIC named SFERA. Then using an ADC, the data is digitalized and stored by means of an FPGA. The data aggregation platform named Athena, was created in order to manage the Kerberos array and combine their data. An high speed arbiter allows maximum bandwith allocation for each Kerberos. The data is then sent to a remote client via a Gigabit Ethernet connection. The platform’s core is formed by a Zynq Ultrascale MPSoC which combined both FPGA and ARM processor and capable of running a distribution of the Linux operating system. A TCP/IP server running in Athena manages the communications with the remote client. The embedded operating system allows to execute in system processing software written in high level languages (Python, C++, Etc.), thus reducing the Client load. The Athena platform together with the Kerberos board creates a flexible and powerful acquisition system which that sets the foundations for future upgrades.

Questa tesi si colloca nell’ambito del progetto TRISTAN, il cui scopo è di misurare la massa di una ipotetica variante del neutrino detta sterile in quanto non partecipe ad alcun interazione debole. Il progetto analizzerà lo spettro completo del decadimento β di una sorgente di Trizio, ricercando in esso una inflessione la cui esistenza sarebbe giustificata dalla presenza di neutrini sterili ad alta energia. A causa dell’elevato numero di eventi da catturare, è stato necessario suddividere il rilevatore in una matrice da oltre 3000 pixel. Ogni pixel è costituito da un Silicon Drift Detector (SDD), che grazie alla sua ampia area attiva e bassa capacità parassita, è risultato la scelta ottimale per il progetto. In particolare la tesi rientra nella sezione di rivelazione dove si occupa di acquisire i 166 canali dello stadio di monitoraggio intermedio. A tal fine è stato progettato un sistema di acquisizione multicanale. Il sistema è basato su una struttura modulare costituita da quattro unità di acquisione, ciascuna capace di gestire 48 canali, denominate Kerberos collegati tramite un aggregatore di dati. Il modulo di acquisizione Kerberos è costruito attorno ad un ASIC di processamento analogico dei dati denominato SFERA. Il dato, una volta processato, viene digitalizzato tramite un ADC, a sua volta controllato da un FPGA. L’unità di aggregazione dati denominata Athena nasce per gestire le quattro schede Kerberos e convogliare i dati da loro acquisiti per poi trasmetterli a un computer da remoto tramite Gigabit Ethernet. Grazie a un sistema di arbitraggio ad alta velocità, ciascun Kerberos trasmette alla massima banda disponibile. Tale piattaforma è stata sviluppata utilizzando un System On a Chip Zynq Ultrascale che combina al suo interno sia un FPGA che un processore ARM, e capace di eseguire una variante del sistema operativo Linux al suo interno. Un server TCP/IP viene eseguito dentro Athena ed è responsabile della comunicazione con i client remoti. Il sistema operativo, inoltre, consente l’esecuzione di programmi per il processamento dei dati scritti in linguaggi di alto livello (Python, C++, Ecc.) riducendo il carico computazionale del client. La piattaforma Athena in unione con le schede Kerberos costituiscono un sistema di acquisizione potente e flessibile, e pongono solide basi per aggiornamenti futuri.