Upgrade of the Trigger and Data Acquisition System for Continuous Imaging and Multi-Camera Operation in CYGNO
Este artículo presenta una actualización del sistema de disparo y adquisición de datos (T-DAQ) del experimento CYGNO, que introduce un modo de adquisición de imágenes continuo, un esquema de etiquetado temporal extendido y una arquitectura sincrónica para múltiples cámaras, validando así una solución escalable para la futura fase CYGNO-04.
Autores originales:F. D. Amaro (University of Coimbra, Portugal), R. Antonietti (Universita Roma Tre, Italy, INFN Sezione di Roma Tre, Italy), E. Baracchini (Gran Sasso Science Institute, Italy, INFN Laboratori NazionalF. D. Amaro (University of Coimbra, Portugal), R. Antonietti (Universita Roma Tre, Italy, INFN Sezione di Roma Tre, Italy), E. Baracchini (Gran Sasso Science Institute, Italy, INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Italy), L. Benussi (INFN Laboratori Nazionali di Frascati, Italy), C. Capoccia (INFN Laboratori Nazionali di Frascati, Italy), M. Caponero (INFN Laboratori Nazionali di Frascati, Italy, ENEA Frascati Research Center, Italy), L. G. M. de Carvalho (Federal University of Juiz de Fora, Brazil), G. Cavoto (Sapienza University of Rome, Italy, INFN Sezione di Roma, Italy), I. A. Costa (INFN Laboratori Nazionali di Frascati, Italy), A. Croce (INFN Laboratori Nazionali di Frascati, Italy), M. D'Astolfo (Gran Sasso Science Institute, Italy, INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Italy), G. D'Imperio (INFN Sezione di Roma, Italy), G. Dho (INFN Laboratori Nazionali di Frascati, Italy), E. Di Marco (INFN Sezione di Roma, Italy), J. M. F. dos Santos (University of Coimbra, Portugal), D. Fiorina (Gran Sasso Science Institute, Italy, INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Italy), F. Iacoangeli (INFN Sezione di Roma, Italy), Z. Islam (Gran Sasso Science Institute, Italy, INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Italy), E. Kemp (University of Campinas), H. P. Lima Jr (Gran Sasso Science Institute, Italy, INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Italy), G. Maccarrone (INFN Laboratori Nazionali di Frascati, Italy), R. D. P. Mano (University of Coimbra, Portugal), D. J. G. Marques (Gran Sasso Science Institute, Italy, INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Italy), G. Mazzitelli (INFN Laboratori Nazionali di Frascati, Italy), P. Meloni (Universita Roma Tre, Italy, INFN Sezione di Roma Tre, Italy), A. Messina (Sapienza University of Rome, Italy, INFN Sezione di Roma, Italy), V. Monno (Sapienza University of Rome, Italy, INFN Sezione di Roma, Italy), C. M. B. Monteiro (University of Coimbra, Portugal), R. A. Nobrega (Federal University of Juiz de Fora, Brazil), G. M. Oppedisano (Gran Sasso Science Institute, Italy, INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Italy), I. F. Pains (Federal University of Juiz de Fora, Brazil), E. Paoletti (INFN Laboratori Nazionali di Frascati, Italy), F. Petrucci (Universita Roma Tre, Italy, INFN Sezione di Roma Tre, Italy), S. Piacentini (Gran Sasso Science Institute, Italy, INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Italy), D. Pierluigi (INFN Laboratori Nazionali di Frascati, Italy), D. Pinci (INFN Sezione di Roma, Italy), F. Renga (INFN Sezione di Roma, Italy), A. Russo (INFN Laboratori Nazionali di Frascati, Italy), G. Saviano (INFN Laboratori Nazionali di Frascati, Italy, Sapienza University of Rome - Department of Chemical Engineering Materials and Environment, Italy), P. A. O. C. Silva (University of Coimbra, Portugal), N. J. Spooner (University of Sheffield, UK), R. Tesauro (INFN Laboratori Nazionali di Frascati, Italy), S. Tomassini (INFN Laboratori Nazionali di Frascati, Italy), D. Tozzi (Sapienza University of Rome, Italy, INFN Sezione di Roma, Italy)
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¡Claro que sí! Imagina que el experimento CYGNO es como un gigantesco laboratorio de detectives que busca "fantasmas" invisibles (partículas raras) que atraviesan el aire. Para ver estos fantasmas, necesitan una cámara súper potente y unos micrófonos muy sensibles.
Aquí te explico qué hicieron los científicos en este artículo, usando analogías sencillas:
1. El Problema: La Cámara que "Parpadea"
Antes de este trabajo, el sistema funcionaba así:
Tienes una cámara que toma fotos de una habitación llena de humo (el gas del detector).
Pero la cámara era un poco torpe: tomaba una foto, luego se "despertaba" y se "dormía" un momento antes de poder tomar la siguiente.
La analogía: Imagina que intentas filmar un partido de fútbol, pero tu cámara solo graba 10 segundos, luego se apaga 10 segundos para descansar, y vuelve a grabar. ¡Te perderías muchos goles!
Además, tenían que esperar a que la cámara terminara de procesar la foto antes de decirle "¡Toma otra!". Esto hacía que perdieran mucha información valiosa.
2. La Solución: "Cine Continuo" (Imágenes Continuas)
Los científicos actualizaron el sistema para que la cámara deje de "parpadear" y empiece a grabar en bucle continuo, como una película de cine sin pausas.
La analogía: En lugar de tomar fotos sueltas, ahora es como si la cámara fuera un video en vivo que nunca se detiene. Solo hay un microsegundo de "respiro" entre foto y foto (como el parpadeo de un ojo humano), en lugar de los largos descansos de antes.
Resultado: Ahora no pierden ni un solo "fantasma" que pase por la cámara, incluso si es muy rápido o muy pequeño.
3. El Reto de los Relojes: Sincronizar el Tiempo
Había un segundo problema. La cámara toma fotos lentas (milisegundos), pero los micrófonos (PMTs) escuchan cosas ultrarrápidas (nanosegundos).
El problema: Si la cámara toma una foto a las 10:00:00 y el micrófono escucha un sonido a las 10:00:00.0001, ¿cómo saben que es el mismo evento? Antes, el reloj de la cámara se reiniciaba cada vez que tomaba una foto, lo que confundía los tiempos.
La solución: Inventaron un "Reloj Maestro" gigante. En lugar de reiniciar el reloj cada foto, ahora el reloj sigue corriendo desde el principio del experimento (como un cronómetro que no se detiene nunca). Así, saben exactamente en qué segundo, milisegundo y microsegundo ocurrió cada cosa, sin importar cuánto tiempo pase.
4. El Gran Salto: ¡Múltiples Cámaras a la Vez!
El siguiente paso del experimento (llamado CYGNO-04) no usará una sola cámara, sino varias cámaras al mismo tiempo (como tener 6 cámaras de seguridad en una habitación).
El desafío: Si tienes 6 cámaras, ¿cómo haces que todas tomen la foto exactamente al mismo tiempo? Si una toma la foto un milisegundo antes que la otra, la imagen del "fantasma" se verá cortada o borrosa.
La solución: Crearon un director de orquesta digital.
No hay una cámara "jefa". Cualquiera puede ser la líder.
El sistema envía una señal de "¡Ya!" (un pulso eléctrico) a todas las cámaras al mismo tiempo.
Es como si un director de orquesta levantara la batuta y todos los músicos (las cámaras) empezaran a tocar la misma nota al mismo tiempo, sin importar quién sea el primero.
5. ¿Por qué es importante?
Gracias a estas mejoras:
No pierden datos: La cámara ya no descansa, así que captura todo.
Todo está sincronizado: Saben exactamente qué vio la cámara y qué escuchó el micrófono al mismo tiempo.
Escalabilidad: Pueden poner más cámaras en el futuro sin que el sistema se vuelva loco.
En resumen: Los científicos de CYGNO tomaron un sistema de cámaras que era como un fotógrafo que se cansaba y descansaba mucho, y lo convirtieron en un cineasta experto que graba sin parar, con un reloj perfecto y la capacidad de dirigir a toda una orquesta de cámaras a la vez. Esto les permitirá ver los eventos más raros y pequeños del universo con una claridad nunca antes vista.
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Resumen Técnico: Actualización del Sistema de Disparo y Adquisición de Datos (T-DAQ) para CYGNO
1. El Problema
El experimento CYGNO utiliza una Cámara de Proyección Temporal (TPC) gaseosa con lectura óptica para detectar eventos de rareza (como la búsqueda de materia oscura). El sistema combina cámaras científicas de alta resolución (basadas en sensores CMOS) con fotomultiplicadores (PMTs) para obtener información espacial y temporal.
El sistema anterior, basado en la configuración LIME, presentaba limitaciones críticas que impedían la operación eficiente en la próxima fase experimental (CYGNO-04), la cual requiere el uso simultáneo de múltiples cámaras:
Alta tasa de tiempo muerto (Dead Time): El esquema de adquisición basado en fotogramas (frame-based) generaba un tiempo muerto intrínseco de aproximadamente 38%. Esto se debía al tiempo de activación de las filas del sensor y al tiempo de lectura entre fotogramas, durante los cuales la cámara no era sensible a eventos.
Pérdida de eventos: Los eventos extendidos (trazas de ionización) podían perderse parcialmente si ocurrían durante los intervalos de inactividad de las filas del sensor, complicando la reconstrucción de la topología de las trazas.
Sincronización limitada: La estrategia de etiquetado temporal (time-tagging) de los PMTs estaba ligada a cada disparo de cámara individual, lo que dificultaba la asociación temporal unívoca en periodos de adquisición largos o en configuraciones multi-cámara sin un "maestro" definido.
Escalabilidad: La arquitectura existente no soportaba nativamente la operación sincronizada de múltiples cámaras de manera robusta.
2. Metodología
Los autores desarrollaron y validaron una actualización del sistema T-DAQ utilizando el prototipo MANGO (una TPC óptica a pequeña escala) como banco de pruebas. La metodología se centró en tres pilares principales:
Modo de Adquisición Continua (Continuous Imaging):
Se cambió la lógica de operación de la cámara de "disparo externo por fotograma" a un modo de disparo de inicio (START TRIGGER).
Una vez iniciada la toma de datos, la cámara adquiere fotogramas de forma continua sin interrupciones significativas, excepto por el tiempo mínimo de lectura de una sola fila del sensor.
Esto desacopla la lógica de exposición de la cámara del disparo de los PMTs.
Etiquetado Temporal Extendido (Extended Group Trigger Time Tag - EGTTT):
Se implementó una actualización de firmware en los digitalizadores CAEN V1742.
Se combinaron dos registros de 30 bits para crear un etiquetado temporal de 60 bits. Esto permite un rango dinámico extendido (superando el límite de ~9.1 segundos del registro original), permitiendo un marcaje temporal unívoco para eventos de PMT a lo largo de toda la duración de una toma de datos (minutos u horas), independientemente de los fotogramas de la cámara.
Arquitectura Multi-Cámara Síncrona:
Se diseñó un sistema sin una cámara "maestra" fija. Cualquier cámara activa puede proporcionar la señal de sincronización.
Se utiliza un generador de pulsos (pulser) externo que distribuye una señal de reloj común a todas las cámaras (modo de disparo de lectura síncrona).
Se implementó una lógica de hardware (combinación AND/OR de señales NIM/TTL) para generar una señal de referencia SYNC-IN para los digitalizadores de PMT, derivada de la señal de exposición global (GE) de una cámara y una puerta controlada por el servidor DAQ.
3. Contribuciones Clave
Reducción drástica del tiempo muerto: La transición a la adquisición continua reduce el tiempo muerto de 38% a **0.03%**, eliminando los intervalos muertos entre fotogramas.
Sincronización robusta multi-cámara: Se demostró una arquitectura capaz de operar múltiples cámaras (probado hasta 3, escalable a 6) con una alineación temporal precisa, sin depender de una unidad maestra, lo que mejora la tolerancia a fallos.
Referencia temporal global unificada: La implementación del EGTTT y la señal SYNC-IN permite correlacionar con precisión las imágenes ópticas y las señales de los PMT a lo largo de todo el experimento, resolviendo ambigüedades temporales.
Validación en prototipo: El sistema fue validado completamente en el prototipo MANGO, demostrando estabilidad en la adquisición continua y la integridad de los datos.
4. Resultados
Las pruebas de validación arrojaron los siguientes resultados cuantitativos y cualitativos:
Estabilidad de adquisición: En pruebas de 6 minutos y 46 segundos (1039 fotogramas consecutivos), no se observaron fotogramas omitidos ni duplicados. El índice de fotogramas aumentó monótonamente.
Precisión temporal: La diferencia de tiempos entre fotogramas mostró una dispersión de 1 µs (limitada por la resolución del hardware), confirmando la estabilidad temporal.
Sincronización entre cámaras: Se midió un jitter (variación) de sincronización entre cámaras del orden de 10 µs, consistente con las especificaciones de las cámaras Hamamatsu QUEST 2.
Integridad de datos: La señal de referencia para los PMT (SYNC-IN) se generó correctamente, permitiendo la asociación inequívoca de cada fotograma de cámara con una onda de PMT específica en los datos del digitalizador.
Escalabilidad: El sistema funcionó correctamente con configuraciones de 2 y 3 cámaras, sentando las bases para la configuración de 6 cámaras de CYGNO-04.
5. Significado e Implicaciones
Este trabajo constituye un paso fundamental para la realización del demostrador CYGNO-04 y futuros detectores TPC ópticos a gran escala:
Viabilidad de CYGNO-04: Proporciona la infraestructura de adquisición de datos necesaria para operar múltiples cámaras simultáneamente con una eficiencia de detección máxima, crucial para la búsqueda de eventos de baja energía.
Gestión de datos: Aunque la adquisición continua genera una tasa de datos cruda alta (~340 MB/s para 6 cámaras), el sistema establece la base para implementar estrategias de reducción de datos en línea (ROI - Regiones de Interés) que son esenciales para manejar el volumen de información.
Modelo para futuros detectores: La arquitectura propuesta, que desacopla la exposición de la cámara del disparo y utiliza referencias temporales globales robustas, sirve como un modelo escalable para otros experimentos que requieren lectura óptica de alta resolución y sincronización precisa.
En conclusión, la actualización del T-DAQ resuelve las limitaciones críticas de la fase anterior, garantizando una adquisición de datos continua, sincronizada y de alta fidelidad, esencial para el éxito de la próxima fase del experimento CYGNO.