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

Dit artikel beschrijft een upgrade van het trigger- en data-acquisitiesysteem voor het CYGNO-experiment die continue beeldvorming, robuuste tijdstempeling en gesynchroniseerde bediening van meerdere camera's mogelijk maakt, waarmee een schaalbare basis wordt gelegd voor de toekomstige CYGNO-04-fase.

De kern

De Basis: Wat is CYGNO?

Stel je voor dat je een reuzegrote, onzichtbare kamer hebt die gevuld is met een speciaal gas. In deze kamer vliegen er soms onzichtbare deeltjes (zoals spookachtige bezoekers) doorheen. Als deze deeltjes botsen met de gasmoleculen, laten ze een heel kort, flitsend spoor achter van licht, alsof iemand een lichte pen door de lucht tekent.

Het doel van het CYGNO-experiment is om deze flitsende sporen zo scherp mogelijk te fotograferen. Ze gebruiken twee soorten "ogen":

1. Fotocamera's: Deze maken superduidelijke foto's van het lichtspoor (zoals een fotograaf die een foto maakt van een vliegende vogel).
2. PMT's (Fotomultipliers): Dit zijn extreem snelle lichtgevoelige sensoren die precies meten wanneer het licht oplicht, tot op een miljardste seconde (zoals een stopwatch die tikt in een razendsnel race).

Het probleem? De camera's zijn traag (ze hebben tijd nodig om een foto te maken), maar de deeltjes zijn razendsnel. De oude manier van werken had een groot nadeel: de camera's waren vaak "dood" terwijl ze een foto ontwikkelden, en ze konden maar één camera tegelijk bedienen.

---

Het Probleem: De "Slapende" Camera

In het oude systeem (het LIME-systeem) werkte de camera als een ouderwetse filmrol.

• De camera maakte een foto, maar daarna moest hij die foto "ontwikkelen" voordat hij de volgende kon maken.
• Tijdens dit ontwikkelen was de camera dood. Hij zag niets.
• Dit duurde lang. Het was alsof je een fotograaf bent die 30 seconden een foto maakt, maar dan 20 seconden moet wachten om de foto te ontwikkelen. In die 20 seconden mis je misschien wel een belangrijke gebeurtenis.
• Bovendien kon de camera maar één keer per keer "kijken". Als je meerdere camera's wilde gebruiken, raakten ze in de war over wie er moest beginnen.

Dit resulteerde in veel dode tijd (ongeveer 38% van de tijd was de camera blind) en het was moeilijk om meerdere camera's tegelijk te laten werken zonder dat ze elkaar in de weg zaten.

---

De Oplossing: De Upgrade (Het Nieuwe Systeem)

De onderzoekers hebben een nieuwe "Trigger en Data-acquisitie" (T-DAQ) systeem gebouwd. Dit is het brein dat de camera's en sensoren aanstuurt. Ze hebben drie grote verbeteringen aangebracht:

1. De "Altijd-Wakker" Camera (Continue Opname)

In plaats van de camera te laten slapen tussen de foto's, hebben ze hem continu wakker gehouden.

• Vergelijking: Stel je voor dat je eerder een filmrol gebruikte die je moest verwisselen na elke foto. Nu heb je een live-stream camera die nooit stopt.
• De camera maakt nu foto's achter elkaar, zonder lange pauzes. De enige tijd die hij "dood" is, is het heel korte moment dat hij één rij pixels uitleest (ongeveer 0,03% van de tijd).
• Resultaat: Je mist bijna niets meer. Het is alsof je van een camera met een flits die je 30% van de tijd blind maakt, bent gegaan naar een camera die 99,9% van de tijd scherp ziet.

2. De "Tijdstempel" voor de Eeuwigheid

Omdat de camera nu continu werkt, kan een gebeurtenis plaatsvinden op een moment dat de camera net van de ene foto naar de andere springt.

• Vergelijking: In het oude systeem had elke foto een eigen "uur" (bijv. 12:00:01). Als een gebeurtenis net na 12:00:01 gebeurde, wist je niet of het bij foto 1 of foto 2 hoorde.
• Nieuwe oplossing: Ze hebben een globale klok ingebouwd die nooit reset. Elke foto en elk signaal van de PMT krijgt nu een uniek tijdstempel dat begint bij het moment dat de experiment start (bijv. "Dag 1, seconde 45000").
• Zo weten ze altijd, ook na uren of dagen, precies welk lichtsignaal bij welke foto hoort, zelfs als de camera net van frame wisselt.

3. Het "Orkest" van Camera's (Meerdere Camera's Tegelijk)

Voor de volgende fase (CYGNO-04) willen ze meerdere camera's tegelijk gebruiken, alsof je een kamer hebt met meerdere ramen om het lichtspoor vanuit verschillende hoeken te zien.

• Vergelijking: Stel je voor dat je een orkest hebt. Als elke muzikant zijn eigen tempo volgt, klinkt het als een chaos. Ze moeten allemaal op hetzelfde ritme spelen.
• Nieuwe oplossing: Ze hebben een meester-klok (een pulser) die een ritmisch signaal stuurt naar alle camera's tegelijk.
  • Geen enkele camera is de "baas". Ze kunnen allemaal het signaal geven.
  • Ze krijgen allemaal exact op hetzelfde moment het commando: "Nu beginnen met fotograferen!"
  • Hierdoor zijn de foto's van alle camera's perfect op elkaar afgestemd, alsof ze één groot, samengesteld beeld maken.

---

Waarom is dit belangrijk?

Dit nieuwe systeem is de sleutel voor de toekomst van het experiment.

• Efficiëntie: Ze verspillen geen tijd meer.
• Schaalbaarheid: Ze kunnen nu makkelijk van 1 camera naar 6 (of meer) camera's gaan zonder dat het systeem in de war raakt.
• Betrouwbaarheid: Ze kunnen nu lange tijd ononderbroken meten, wat essentieel is om zeldzame deeltjes te vangen.

Conclusie in één zin:
De onderzoekers hebben van een traag, eenzame fotograaf die vaak slaapt, een razendsnel, onuitputtelijk team van gesynchroniseerde camera's gemaakt dat nooit slaapt en perfect samenwerkt, zodat ze geen enkel spoor van de mysterieuze deeltjes in het gas zullen missen.

Technische samenvatting

Titel: Upgrade van het Trigger- en Data Acquisition-systeem voor Continue Imaging en Multi-Camera Bedrijf in CYGNO

1. Het Probleem
Het CYGNO-experiment gebruikt een optische uitlezing van een gassen Tijdprojectiekamer (TPC) om de interacties van deeltjes in beeld te brengen. Dit systeem combineert wetenschappelijke camera's (met CMOS-sensoren) en fotomultiplicatoren (PMT's). Hoewel deze aanpak uitstekende ruimtelijke resolutie en timing biedt, vormt de data-acquisitie (DAQ) een grote uitdaging, vooral voor de volgende fase, CYGNO-04, die meerdere camera's gelijktijdig moet bedienen.

De bestaande LIME-configuratie (een eerdere prototype) had twee fundamentele beperkingen:

• Hoge Dode Tijd (Dead Time): De camera's werkten in een "frame-based" modus, geïnitieerd door software-triggers. De totale tijdsduur van een frame bestond uit de activeringstijd van de sensorrijen plus de blootstellingstijd. Omdat de camera alleen data opneemt tijdens de blootstelling, was er een dode tijd van ongeveer 38%. Dit betekent dat veel gebeurtenissen verloren gingen, vooral bij lage energie of als ze plaatsvonden tijdens de readout-fase.
• Synchronisatie en Timing: Bij het gebruik van meerdere camera's was er geen robuust mechanisme om een globale tijdsreferentie te behouden tussen de camera-beelden en de PMT-signalen over lange meetperiodes. De bestaande time-tagging (30-bit) was onvoldoende voor langdurige runs en leidde tot ambiguïteiten bij het koppelen van PMT-pulsen aan specifieke cameraframes.

2. Methodologie
De auteurs hebben een upgrade ontwikkeld voor het T-DAQ-systeem, getest op het MANGO-prototype (een klein schaalmodel voor CYGNO R&D). De aanpak omvatte drie hoofdcomponenten:

• Overgang naar Continue Imaging: In plaats van frames te starten met software-triggers, wordt de camera nu bediend in START TRIGGER-modus. Bij het begin van een run wordt één enkele software-trigger gestuurd, waarna de camera continu frames opneemt zonder onderbrekingen tussen frames. De blootstelling is nu ontkoppeld van de triggerlogica.
• Uitgebreide Time-Tagging (EGTTT): Om de PMT-signalen correct te koppelen aan de continue camera-stream, is de firmware van de CAEN V1742 digitizer geüpgraded. De standaard 30-bit Trigger Time Tag (TTT) is uitgebreid naar een 60-bit Extended Group Trigger Time Tag (EGTTT). Dit biedt een veel groter dynamisch bereik en zorgt voor een unieke tijdstempel over de volledige duur van een run (van minuten tot tientallen minuten).
• Synchrone Multi-Camera Architectuur: Voor CYGNO-04 is een architectuur ontwikkeld waarbij meerdere camera's synchroon werken zonder dat er één "master camera" is.
  • Een pulsermodule genereert een gemeenschappelijke kloksignaal dat naar alle camera's wordt gestuurd.
  • Alle camera's starten hun blootstelling op dezelfde trigger-puls en werken synchroon.
  • Een logische combinatie van camera-signalen en een DAQ-server-gate signaal genereert een SYNC-IN referentie voor de PMT-digitizer, wat een gezamenlijke tijdsreferentie garandeert.

3. Belangrijkste Bijdragen

• Eliminatie van Dode Tijd: Door over te schakelen naar continue opname, is de dode tijd gereduceerd van 38% naar **0,03%**. Dit wordt bereikt doordat de enige dode tijd nu beperkt is tot de readout van één enkele sensorrij, terwijl de rest van de sensor actief blijft.
• Robuuste Synchronisatie: Implementatie van een master-loze synchronisatiestrategie die flexibele configuraties toelaat (bijv. subsets van camera's) en een nauwkeurige tijdsalignatie tussen camera's en PMT's garandeert.
• Firmware-Upgrade: De ontwikkeling van de EGTTT-methode om tijdsmetingen over lange periodes zonder ambiguïteiten mogelijk te maken.

4. Resultaten
De upgrade is succesvol gevalideerd via specifieke tests:

• Stabiliteit: Er werden geen overgeslagen of gedupliceerde frames waargenomen tijdens continue opnames van meer dan 1000 frames (ongeveer 6,5 minuten).
• Timing: De tijdstempels van de camera tonen een uniforme voortgang. De jitter tussen camera's is beperkt tot ongeveer 10 µs, wat consistent is met de specificaties van de Hamamatsu QUEST 2 camera's.
• Synchronisatie: Tests met twee en drie camera's bevestigden dat de frames perfect synchroon lopen en dat de tijdsreferentie tussen camera-beelden en PMT-golvenvormen nauwkeurig is.
• Scalabiliteit: Het systeem is getest tot drie camera's, met plannen voor uitbreiding tot zes camera's tijdens de pre-commissioning van CYGNO-04.

5. Betekenis en Toekomstperspectief
Deze upgrade vormt een essentiële stap voor de realisatie van CYGNO-04.

• Efficiëntie: De drastische reductie van dode tijd maakt het mogelijk om zeldzame gebeurtenissen en uitgebreide deeltjessporen volledig vast te leggen, wat cruciaal is voor achtergronddiscriminatie.
• Schalbaarheid: De architectuur biedt een solide basis voor het schalen naar een groter aantal optische kanalen.
• Data-uitdagingen: Hoewel de hardware-uitdagingen zijn opgelost, introduceert continue opname met meerdere camera's een hoge datastroom (geschat op ~340 MB/s voor een 6-camera setup). De auteurs wijzen erop dat dit vereist dat er effectieve online data-reductiestrategieën worden ontwikkeld (bijv. het selecteren van alleen "Regions of Interest" met machine learning) om opslagproblemen te voorkomen.

Kortom, dit paper presenteert een bewezen, schaalbare en robuuste oplossing voor de data-acquisitie van complexe optische TPC-detectoren, die de weg vrijmaakt voor de volgende fase van het CYGNO-experiment.