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

Este artigo apresenta a atualização do sistema de gatilho e aquisição de dados (T-DAQ) do experimento CYGNO, que introduz modos de aquisição contínua, esquemas de marcação temporal robustos e uma arquitetura síncrona para múltiplas câmeras, validando uma solução escalável para a futura fase CYGNO-04 e detectores ópticos de grande escala.

O essencial

Imagine que o experimento CYGNO é como um gigante "olho de mosca" subterrâneo, projetado para capturar os rastros mais sutis de partículas misteriosas que atravessam o universo. Para fazer isso, ele usa uma câmara de gás (um TPC) onde essas partículas deixam um rastro de luz, semelhante a um rastro de fumaça deixado por um avião no céu.

O problema é que esse "céu" é enorme e as partículas são rápidas. O sistema antigo de tirar fotos (o T-DAQ) tinha dois grandes defeitos:

1. Era lento e deixava buracos: Ele tirava uma foto, parava para processar, e só depois tirava a próxima. Era como tentar filmar um filme de ação tirando fotos com uma câmera antiga que precisava ser rebobinada a cada 30 segundos. Você perderia muita ação.
2. Não conseguia filmar com várias câmeras ao mesmo tempo: Se você quisesse usar 6 câmeras para cobrir todo o espaço, elas entrariam em confusão, como um coral onde cada cantor canta em um ritmo diferente.

Este artigo descreve uma grande atualização que transformou esse sistema para a próxima fase do experimento (chamada CYGNO-04). Vamos usar algumas analogias para entender como eles resolveram isso:

1. De "Fotógrafo de Férias" para "Vigilante 24 Horas" (Imagem Contínua)

O Problema Antigo: O sistema antigo funcionava como um fotógrafo de férias que tira uma foto, espera a película ser revelada (o que demora), e só então tira a próxima. Durante esse tempo de espera, o sistema estava "morto" (tempo morto). Se uma partícula passasse nesse intervalo, ela desaparecia para sempre.

A Solução: Eles mudaram para um modo de imagem contínua.

• A Analogia: Imagine que, em vez de tirar fotos estáticas, você agora está usando um filme de vídeo em alta velocidade. A câmera começa a gravar no início do experimento e nunca para até o fim.
• O Resultado: O "tempo morto" caiu de quase 40% (quase metade do tempo sem ver nada) para quase zero (0,03%). É como se o vigilante nunca piscasse os olhos. Agora, se uma partícula passar por qualquer milésimo de segundo, ela será registrada.

2. O Relógio Mestre Infinito (Marcação de Tempo)

O Problema Antigo: As câmeras e os sensores de luz (PMTs) precisavam combinar seus horários. O sistema antigo usava um relógio que "reiniciava" a cada foto. Se o experimento durasse mais de 9 segundos, o relógio voltava ao zero e tudo ficava confuso: "Essa foto foi de 1 segundo ou de 10 segundos?".

A Solução: Eles criaram um Relógio de 60 bits.

• A Analogia: Pense no relógio antigo como um cronômetro de cozinha que só vai até 9 segundos. Se você cozinhasse algo por 10 minutos, ele ficaria inútil. O novo sistema é como um relógio de parede gigante que pode contar segundos por milhões de anos sem reiniciar.
• O Resultado: Agora, eles sabem exatamente em que segundo do experimento cada partícula apareceu, mesmo que o experimento dure horas. Isso permite que a foto da câmera e o sinal de luz do sensor sejam casados perfeitamente, como um casamento onde o noivo e a noiva sabem exatamente a hora do "sim".

3. O Coral Perfeito (Sincronização de Múltiplas Câmeras)

O Problema Antigo: O experimento CYGNO-04 vai usar várias câmeras (até 6 ou mais) ao mesmo tempo. O sistema antigo não sabia como fazer todas elas tirarem a foto no exato mesmo milésimo de segundo. Seria como tentar tirar uma foto de grupo com 6 pessoas, onde cada uma aperta o botão do celular em um momento diferente. A foto ficaria borrada ou desorganizada.

A Solução: Eles criaram um Maestro Digital.

• A Analogia: Imagine uma orquestra. Antigamente, cada músico (câmera) tentava adivinhar quando começar a tocar. Agora, há um maestro (um sinal de pulso elétrico) que bate a batuta e diz: "Um, dois, três, AGORA!". Todas as câmeras começam a expor o sensor e a ler os dados exatamente no mesmo instante.
• O Resultado: Não importa qual câmera você olhe, todas estão "cantando" a mesma nota no mesmo tempo. Isso permite montar um mosaico gigante e perfeito da partícula, sem buracos ou sobreposições estranhas.

Por que isso é importante?

Com essas melhorias, o experimento CYGNO-04 estará pronto para:

• Não perder nada: Aumentar a chance de encontrar partículas raras e misteriosas (como a Matéria Escura).
• Ver o quadro inteiro: Conseguir usar várias câmeras simultaneamente para cobrir um espaço maior.
• Ser preciso: Saber exatamente onde e quando algo aconteceu, com precisão de nanossegundos.

Em resumo, os cientistas pegaram um sistema que funcionava como uma câmera de filme antiga e lenta, e o transformaram em um sistema de vigilância de alta tecnologia, contínuo e perfeitamente sincronizado, pronto para caçar os segredos mais profundos do universo.

Resumo técnico

Resumo Técnico: Atualização do Sistema de Trigger e Aquisição de Dados (T-DAQ) para Imagem Contínua e Operação Multi-câmera no CYGNO

1. Problema e Contexto

O experimento CYGNO utiliza uma Câmera de Projeção Temporal (TPC) gasosa com leitura óptica para a busca de eventos raros (como matéria escura). O sistema combina câmeras científicas de alta resolução (baseadas em sensores CMOS) e tubos fotomultiplicadores (PMTs) para reconstruir trajetórias de partículas com alta precisão espacial e temporal.

O sistema anterior, baseado no protótipo LIME, operava em um esquema de aquisição baseada em quadros (frame-based) com gatilho externo. Isso apresentava limitações críticas para a próxima fase do experimento, o CYGNO-04, que exigirá a operação simultânea de múltiplas câmeras:

• Tempo Morto Elevado: O esquema de quadros introduzia um tempo morto intrínseco de ~38% devido ao ciclo de ativação das linhas do sensor e ao tempo de leitura entre quadros.
• Perda de Eventos: Eventos estendidos (trajetórias longas) podiam ser truncados se ocorressem durante intervalos de inatividade das linhas do sensor.
• Sincronização Limitada: A sincronização entre as câmeras e os PMTs era baseada em gatilhos por quadro, o que se tornava insuficiente para operações contínuas e de longa duração.
• Escalabilidade: A arquitetura atual não suportava nativamente a operação sincronizada de múltiplas câmeras sem uma "câmera mestra" rígida.

2. Metodologia e Soluções Propostas

O trabalho descreve uma atualização do sistema T-DAQ, desenvolvida a partir da configuração LIME e validada no protótipo MANGO. As principais mudanças metodológicas incluem:

• Mudança para Imagem Contínua:

  • Abandono do modo de gatilho externo por quadro.
  • Implementação do modo START TRIGGER: Um único gatilho de software inicia a aquisição, e a câmera captura quadros continuamente até o fim da corrida (run).
  • O sinal de exposição (CAMEXP) é gerado apenas no início, eliminando a inatividade entre quadros. O tempo morto é reduzido para o tempo de leitura de uma única linha do sensor (~0,03%).

• Rastreamento de Tempo Estendido (EGTTT):

  • Para lidar com corridas longas onde o tempo de execução excede o limite do timestamp padrão de 30 bits (~9,1 segundos), foi implementado um Extended Group Trigger Time Tag (EGTTT) de 60 bits no firmware do digitizador CAEN V1742.
  • Isso permite um timestamp global unificado para os sinais dos PMTs, garantindo a associação temporal correta com as imagens das câmeras, independentemente de quando o evento ocorre dentro da corrida.

• Arquitetura de Aquisição Multi-câmera Síncrona:

  • Desenvolvimento de uma arquitetura onde múltiplas câmeras operam em modo de gatilho de leitura síncrono, sincronizadas por um sinal de relógio externo comum.
  • Sem Câmera Mestra: O sistema é projetado para ser flexível; qualquer câmera ativa pode fornecer os sinais de sincronização, permitindo operação robusta mesmo com falhas parciais ou subconjuntos de câmeras.
  • Sincronização Câmera-PMT: Um sinal lógico derivado da exposição global (GE) de uma das câmeras é combinado com um sinal de "gate" do servidor de DAQ para gerar um sinal de referência (SYNC-IN) para o digitizador dos PMTs. Isso garante que cada quadro da câmera tenha um timestamp preciso e alinhado com os dados dos PMTs.

3. Contribuições Principais

1. Redução Drástica do Tempo Morto: Transição de um tempo morto de ~38% para ~0,03%, maximizando a eficiência de aquisição de dados.
2. Sistema de Tempo Global Robusto: Implementação do EGTTT de 60 bits, resolvendo o problema de ambiguidade temporal em corridas longas.
3. Arquitetura Modular e Escalável: Uma solução de hardware e lógica (NIM/VME) que permite a operação coordenada de múltiplas câmeras sem dependência de uma unidade mestra fixa, essencial para o CYGNO-04.
4. Validação Experimental: Testes rigorosos no protótipo MANGO demonstrando a estabilidade da aquisição contínua e a precisão da sincronização multi-câmera.

4. Resultados de Validação

Os testes realizados no protótipo MANGO confirmaram a eficácia das melhorias:

• Aquisição Contínua: Uma sequência de 1039 quadros consecutivos foi adquirida em ~6 minutos e 46 segundos sem perda (quadros pulados) ou duplicação. A variação temporal (jitter) foi limitada pela granularidade do timestamp do hardware (1 µs).
• Sincronização Multi-câmera: Testes com até três câmeras (Hamamatsu QUEST 2) mostraram:
  • Alinhamento temporal consistente entre as câmeras.
  • Um jitter de sincronização inter-câmera da ordem de 10 µs, consistente com as especificações do hardware.
  • Índices de quadros aumentando monotonicamente, confirmando a integridade dos dados.
• Sincronização Câmera-PMT: A estratégia de usar o sinal GE para gerar o trigger time tag nos PMTs funcionou corretamente, permitindo a associação unívoca de imagens e formas de onda.

5. Significância e Implicações para o CYGNO-04

Este trabalho estabelece a base fundamental para a próxima fase do experimento CYGNO (CYGNO-04):

• Viabilidade Operacional: Permite a operação contínua e eficiente de múltiplas câmeras, requisito essencial para cobrir o volume ativo do detector e melhorar a sensibilidade a eventos raros.
• Desafio de Taxa de Dados: A redução do tempo morto aumenta significativamente a taxa de dados brutos (estimada em ~340 MB/s para 6 câmeras). O artigo destaca que isso exigirá estratégias de redução de dados online (como identificação de regiões de interesse - ROI) para viabilizar o armazenamento de longo prazo.
• Escalabilidade Futura: A arquitetura validada é modular e pronta para ser expandida, representando um passo crucial para a implementação de detectores TPC ópticos em larga escala no futuro.

Em suma, a atualização do T-DAQ resolveu gargalos críticos de tempo morto e sincronização, transformando o sistema de aquisição de dados do CYGNO em uma plataforma robusta, escalável e pronta para a fase demonstrativa de grande escala.