Sistema online em FPGA para redução da sobreposição de sinais num detector de partículas

Abstract

A sobreposição de sinais pode ocorrer em diversos sistemas de instrumentação. Esse fenômeno está relacionado à taxa de ocorrência dos eventos e ao tempo de resposta dos sensores. No âmbito dos detectores de partículas, que caracterizam-se por possuírem altas taxas de ocorrência de eventos, o sistema responsável pela medição de energia (calorímetro) possui limitações em termos do tempo de resposta, provocando restrições em relação ao aumento na taxa de ocorrência das colisões das partículas. Essa situação apresenta-se como um desafio quando o avanço nas pesquisas está atrelado ao aumento da taxa de colisões gerada pelos aceleradores de partículas, como é o caso do Large Hadron Collider (LHC). O ATLAS é um dos detectores do LHC e seu sistema de instrumentação não está preparado para lidar com o aumento da taxa de ocorrência de eventos, pois isso irá gerar sobreposição entre eventos sequenciais. Para atenuar esse problema, torna-se necessário realizar, de modo online, o processamento digital da informação. Nesse sentido, esse trabalho propõe a implementação de um circuito eletrônico dedicado em plataforma digital reconfigurável utilizando técnicas de filtragem de sinais. Cada filtro é uma aproximação da inversa da resposta ao impulso do canal de medição, realizando a deconvolução dos sinais medidos. A avaliação do funcionamento e desempenho dos filtros foi realizada através de um conjunto de dados simulados, que consideram o funcionamento real do detector. A partir dos resultados alcançados, pôde-se constatar que as técnicas implementadas atenderam aos requisitos de funcionamento exigido.

The pileup effect can occur in several instrumentation systems. This phenomenon is related to the rate of occurrence of the events and the response time of the sensors. In the particle detectors, the electronic system responsible for measuring energy (calorimeter) has limitations in terms of response time when it operates with high rate of occurrence of events. This situation represents a challenge when the advance in the research is linked to the increase of the collision rate generated by the particle accelerators, such as the LHC. ATLAS is one of the LHC detectors and its instrumentation system is not prepared to deal with the increase rates of occurrence of events, because it will generate superimposition of information from subsequent events. To mitigate this problem it is necessary to perform an online digital signal processing. So, this work proposes a dedicated signal processing system embedded on a digital high-performance reconfigurable electronic platform that implements digital signal filtering techniques. Each filter is an inverse approximation of the inverse impulse response of the measuring channel, performing the deconvolution of the measured signals. The evaluation of the operation and performance of the implemented filters was performed through the use of a simulated data set, which considers the actual operation of the detector. From the achieved results, it was verified that the implemented techniques met the system operating requirements.