Upgrade of the Trigger and Data Acquisition System for Continuous Imaging and Multi-Camera Operation in CYGNO

Il documento presenta un'evoluzione del sistema di Trigger e Acquisizione Dati (T-DAQ) per l'esperimento CYGNO, che introduce modalità di acquisizione continua, un meccanismo di time-tagging esteso e un'architettura sincronizzata per il funzionamento simultaneo di più telecamere, validando così una soluzione scalabile e robusta per la futura fase CYGNO-04.

L'essenziale

📸 CYGNO: Come trasformare una macchina fotografica lenta in un'auto da corsa sincronizzata

Immagina di voler fotografare un evento rarissimo e velocissimo, come un fantasma che attraversa una stanza piena di gas. Per farlo, l'esperimento CYGNO usa una "camera a nebbia" gigante (un TPC) che, quando una particella la attraversa, crea un piccolo lampo di luce.

Per catturare questo lampo, servono due cose:

1. Fotocamere scientifiche super potenti (come quelle dei telescopi) per vedere dove è passata la particella.
2. Fotomoltiplicatori (PMT), che sono come orecchie super sensibili, per sentire quando è arrivato il lampo con precisione al miliardesimo di secondo.

Il problema? Le fotocamere sono lente (come chi fa una foto lunga esposizione), mentre gli "orecchi" sono velocissimi (come chi sente un battito di ciglia). Gestire questi due mondi insieme è stato un incubo per i vecchi sistemi.

Questo paper racconta come il team CYGNO abbia aggiornato il "cervello" e il "sistema nervoso" del loro esperimento per prepararsi alla prossima grande fase, chiamata CYGNO-04, dove non useranno una sola camera, ma molte contemporaneamente.

Ecco le tre grandi novità spiegate con le metafore:

1. Da "Scatto a Scatto" a "Registrazione Continua" 🎥

Il vecchio problema:
Immagina di dover fotografare un'auto che passa a tutta velocità. Con il vecchio sistema (LIME), la fotocamera faceva così:

• Click! (Scatta la foto).
• Zzzz... (Si riposa per 300 millisecondi per elaborare la foto).
• Click! (Scatta la prossima).
• Zzzz...

Durante la pausa "Zzzz", se l'auto fosse passata, non l'avresti vista. Era un tempo morto enorme (circa il 38% del tempo!). Inoltre, se l'auto era lunga, potevi vederne solo un pezzo perché la fotocamera si era "addormentata" mentre il resto dell'auto passava.

La nuova soluzione (Immagini Continue):
Hanno insegnato alla fotocamera a non fermarsi mai.

• Click-click-click-click...
  Ora, la fotocamera scatta foto una dopo l'altra senza pause. L'unico "tempo morto" è il brevissimo istante in cui la fotocamera legge i dati di una sola riga di pixel (come se un fotografo cambiasse solo un dito della mano).
  Risultato: Il tempo perso è sceso dal 38% a quasi 0%. Niente più particelle perse per "sonno" della macchina.

2. L'Orologio Magico per non perdere il conto del tempo ⏱️

Il vecchio problema:
Le fotocamere e gli "orecchi" (PMT) parlavano lingue temporali diverse. Se un evento succedeva mentre la fotocamera cambiava foto, il sistema si confondeva: "Questa scintilla è della foto A o della foto B?". Era come avere un orologio che si resettava ogni volta che cambiavi pagina di un libro.

La nuova soluzione (Etichette Temporali Estese):
Hanno creato un "orologio universale" che non si resetta mai.
Immagina di avere un contachilometri che non arriva a 9999 e poi torna a zero, ma continua a salire fino a 1 trilione. Ora, ogni volta che la fotocamera scatta una foto, il sistema le attacca un'etichetta temporale unica e precisa che dice esattamente: "Questa foto è stata scattata 1.234.567 secondi dall'inizio della registrazione".
Così, anche se la foto dura 300 millisecondi e l'evento dura nanosecondi, il computer sa esattamente quale foto corrisponde a quale scintilla, senza mai confondersi.

3. La Danza delle 6 Fotocamere (Senza un Capo) 💃🕺

Il vecchio problema:
Per la nuova fase (CYGNO-04), dovranno usare 6 fotocamere insieme. Con il vecchio sistema, c'era una "fotocamera capo" che diceva alle altre: "Ora scattate!". Se la capo si fosse rotta, tutto si fermava. Inoltre, se le fotocamere non fossero state perfettamente sincronizzate, l'immagine della particella sarebbe risultata sfocata o spezzata.

La nuova soluzione (Sincronizzazione Senza Capo):
Hanno creato un sistema dove nessuna fotocamera è il capo.
Immagina un gruppo di ballerini che ascoltano tutti lo stesso metronomo esterno.

• Il sistema invia un segnale di "battito" a tutte le fotocamere contemporaneamente.
• Ogni fotocamera, ricevendo il battito, inizia a scattare.
• Se una si rompe, le altre continuano a ballare alla perfezione.
• Inoltre, il sistema crea un "ponte" temporale: ogni volta che una fotocamera scatta, invia un piccolo segnale agli "orecchi" (PMT) per dire: "Ehi, sto scattando proprio ora!". In questo modo, l'immagine visiva e il suono temporale sono perfettamente allineati, come se fossero stati registrati nello stesso istante esatto.

Perché è importante? 🚀

Questo aggiornamento è come passare da una bicicletta a un treno ad alta velocità.

• Prima: Perdevano molte particelle perché le fotocamere erano lente e si fermavano spesso.
• Ora: Possono guardare il gas continuamente, con 6 occhi sincronizzati, senza perdere nulla.

Questo è il passo fondamentale per CYGNO-04, che sarà un esperimento molto più grande e potente, capace di cercare particelle misteriose (come la materia oscura o i neutrini) con una precisione mai raggiunta prima. Hanno costruito le fondamenta solide per il futuro della fisica delle particelle ottica.

Sommario tecnico

Sintesi Tecnica: Aggiornamento del Sistema di Trigger e Acquisizione Dati (T-DAQ) per CYGNO

1. Il Problema

L'esperimento CYGNO utilizza una Camera a Proiezione Temporale (TPC) gassosa con lettura ottica per la ricerca di eventi rari. Il sistema combina fotocamere scientifiche (sensori CMOS APS) e fotomoltiplicatori (PMT) per ottenere alta risoluzione spaziale e temporale. Tuttavia, l'architettura di acquisizione precedente, basata sul prototipo LIME, presentava limitazioni critiche per la prossima fase sperimentale (CYGNO-04), che richiederà l'uso simultaneo di più camere:

• Alto Tempo Morto (Dead Time): Il sistema LIME operava in modalità "frame-based" (a fotogrammi) con trigger esterno. Il tempo totale di un fotogramma ($T_{frame}$) includeva il tempo di attivazione delle righe del sensore ($T_{act} \approx 184.4$ ms) e il tempo di esposizione ($T_{exp} = 300$ ms). Poiché l'acquisizione attiva avveniva solo durante l'esposizione, il tempo morto era circa il 38%. Questo riduceva l'efficienza di acquisizione e poteva portare alla perdita di eventi estesi o a tracce troncate se si verificavano durante le fasi di inattività delle righe.
• Sincronizzazione e Time-Tagging: La strategia di time-tagging originale (Trigger Time Tag - TTT) era limitata a 30 bit (circa 9.1 secondi) e veniva resettata per ogni fotogramma. Questo rendeva difficile associare in modo univoco i segnali dei PMT (che operano in scala nanosecondica) alle immagini delle camere durante acquisizioni lunghe o in transizioni tra fotogrammi.
• Scalabilità Multi-Camera: L'architettura precedente non supportava nativamente l'acquisizione sincrona di più camere senza una camera "maestra" fissa, limitando la flessibilità operativa necessaria per CYGNO-04.

2. Metodologia

Gli autori hanno sviluppato e validato un aggiornamento del sistema T-DAQ partendo dalla configurazione LIME e testandolo sul prototipo MANGO. L'approccio metodologico si è concentrato su tre pilastri principali:

• Modalità di Acquisizione Continua (Continuous Imaging):
  • Si è passati da un trigger software per ogni fotogramma a una modalità START TRIGGER. Un singolo comando avvia l'acquisizione continua della camera fino alla fine della corsa.
  • Il tempo morto è ridotto drasticamente: l'unica interruzione è il tempo di lettura di una singola riga del sensore ($t_{row} \approx 86.4$ µs) tra un fotogramma e l'altro, eliminando i tempi morti intrinseci del ciclo di attivazione delle righe.
• Estensione del Time-Tagging (EGTTT):
  • È stato implementato un aggiornamento firmware per il digitizzatore CAEN V1742 per supportare l'Extended Group Trigger Time Tag (EGTTT).
  • Il time-tag è stato esteso da 30 a 60 bit, combinando due registri. Questo permette di timestampare gli eventi dei PMT rispetto all'inizio della corsa (run), garantendo un riferimento temporale globale univoco anche per acquisizioni di diversi minuti, risolvendo il problema della sovrapposizione temporale tra immagini e segnali PMT.
• Architettura Sincrona Multi-Camera:
  • È stata progettata un'architettura senza camera maestra fissa. Qualsiasi camera attiva può fornire i segnali di sincronizzazione.
  • Un generatore di impulsi (pulser) distribuisce un segnale di clock comune a tutte le camere, che operano in modalità "synchronous readout trigger".
  • È stato implementato un meccanismo logico per generare un segnale di riferimento SYNC-IN per i digitizzatori dei PMT, derivato dalla combinazione logica del segnale di esposizione della camera e di un gate controllato dal server DAQ. Questo assicura che ogni fotogramma della camera sia associato a un time-tag preciso nei dati dei PMT.

3. Contributi Chiave

• Riduzione del Tempo Morto: Passaggio da un'efficienza di acquisizione del ~62% a un valore superiore al 99.97% (tempo morto ridotto allo 0.03%), fondamentale per eventi a bassa energia e tracce estese.
• Robustezza Temporale: Implementazione del sistema EGTTT a 60 bit, che risolve l'ambiguità temporale nelle acquisizioni lunghe e sincronizza perfettamente dati eterogenei (ottico e PMT).
• Scalabilità e Flessibilità: Validazione di un'architettura multi-camera sincrona che non dipende da una singola camera maestra, permettendo operazioni flessibili (es. calibrazione di sottoinsiemi di camere) e un facile estendersi a 6 o più unità.
• Integrazione Hardware/Software: Sviluppo di una soluzione che mantiene la compatibilità con l'hardware esistente (NIM, VME, digitizzatori CAEN) e il framework software MIDAS, minimizzando l'impatto sui costi di upgrade.

4. Risultati

I test condotti sul prototipo MANGO hanno confermato l'efficacia delle modifiche:

• Stabilità dell'Acquisizione Continua: In una corsa di prova di circa 6 minuti e 46 secondi, sono stati acquisiti 1039 fotogrammi consecutivi senza perdite, duplicazioni o salti. La distribuzione delle differenze temporali tra i fotogrammi ha mostrato una stabilità coerente con la risoluzione hardware (jitter di 1 µs).
• Validazione del Time-Tag Esteso: Il sistema EGTTT ha funzionato correttamente, permettendo di timestampare eventi PMT in modo univoco per l'intera durata della corsa, ben oltre il limite dei 9.1 secondi del TTT standard.
• Sincronizzazione Multi-Camera: Test con 2 e 3 camere hanno dimostrato un allineamento temporale tra le camere con un jitter di circa 10 µs (coerente con le specifiche delle camere Hamamatsu QUEST 2). Non sono state rilevate perdite di fotogrammi e gli indici dei fotogrammi sono cresciuti monotonicamente.
• Correlazione Camera-PMT: Il meccanismo di generazione del segnale SYNC-IN ha garantito che ogni fotogramma della camera fosse associato a un impulso identificabile nei dati del digitizzatore PMT, assicurando un allineamento temporale preciso a livello di ricostruzione.

5. Significato e Implicazioni

Questo lavoro rappresenta un passo fondamentale per la realizzazione dell'esperimento CYGNO-04.

• Fondamento Scalabile: Le soluzioni validate forniscono l'infrastruttura necessaria per gestire l'aumento del numero di canali di lettura ottica, passando da una singola camera a un array multi-camera.
• Gestione del Flusso Dati: Sebbene l'architettura T-DAQ sia ora pronta, il documento evidenzia la necessità di strategie di riduzione dati online (es. identificazione di regioni di interesse tramite algoritmi di machine learning) per gestire il tasso di dati grezzi previsto (circa 340 MB/s per 6 camere), che altrimenti saturerebbe i sistemi di storage a lungo termine.
• Impatto Scientifico: La riduzione del tempo morto e la precisione temporale migliorata aumenteranno significativamente la sensibilità dell'esperimento nella discriminazione dei fondi e nella ricostruzione della topologia delle tracce, elementi cruciali per la ricerca di materia oscura e neutrini.

In conclusione, l'aggiornamento T-DAQ trasforma CYGNO da un prototipo a un sistema sperimentale maturo, pronto per la fase di dimostrazione su larga scala, garantendo acquisizione continua, sincronizzazione robusta e scalabilità.