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Sistema de adquisici´on de datos para un experimento de detecci´on directa de materia oscura (ANAIS) por Miguel ´ Angel Oliv´an Monge Trabajo fin de M´aster Dirigido por: Enrique F. Torres Moreno M´aster en Ingenier´ıa de Sistemas e Inform´atica 2011/2012 Posgrado en Ingenier´ıa Inform´atica Universidad de Zaragoza Junio, 2012 c Miguel ´ Angel Oliv´an Monge 2012 Resumen En el presente trabajo se describe el dise˜no, la implementaci´on, los tests y la puesta en marcha del sistema de adquisici´on de datos del experimento ANAIS. El experimento ANAIS est´a dise˜nado para detectar y caracterizar la materia oscura con cristales centelleadores de yoduro de sodio (NaI) mediante la observaci´on de modulaci´on anual en el ritmo de detecci´on y se est´a llevando a cabo en el Laboratorio Subterr´aneo de Canfranc (LSC), bajo el monte Tobazo. El objeto del trabajo aqu´ı presentado es el dise˜no, implementaci´on y validaci´on de un sistema capaz de tratar, digitalizar, transmitir y almacenar los datos del experimento e implementar un an´alisis preliminar de dichos datos. En este documento se repasan todos los aspectos a tener en cuenta en el dise˜no del sistema de adquisici´on de datos: tratamiento anal´ogico y digital de la se˜nal, los elementos de hardware y software necesarios, el almacenamiento y an´alisis de datos, la monitorizaci´on del sistema y el env´ıo de estad´ısticas. Se describen tambi´en los requisitos que se deben cumplir en cada uno de estos elementos, haciendo hincapi´e en la caracterizaci´on y reducci´on del tiempo muerto introducido. Posteriormente se describe la implementaci´on de los sistemas hardware y software. Se detallan tambi´en las pruebas realizadas para verificar que se cumplen los requisitos, los esfuerzos para caracterizar y mejorar el sistema, los problemas encontrados y el modo en el que se resolvieron. En particular se detallan las estrategias usadas en el software de adquisici´on para reducir el tiempo muerto y las medidas realizadas para caracterizar el sistema en funci´on de configuraciones distintas. Tambi´en se describen las tareas de b´usqueda de latencias inesperadas en la atenci´on de las interrupciones por parte del kernel de Linux y se detallan las configuraciones elegidas tanto de hardware como de software, las razones de su elecci´on, en particular la opci´on de adquirir los datos mediante interrupciones y no hacerlo con encuesta activa. Finalmente se describe el estado actual del sistema, que se encuentra tomando datos en el Laboratorio Subterr´aneo de Canfranc desde diciembre de 2011 con todos los componentes del sistema en funcionamiento, a la espera de la llegada de nuevos detectores. i ´ Indice general Resumen .................................... i ´ Indice general ................................. iii ´ Indice de figuras ...............................vii I Memoria 1 1. El experimento ANAIS .......................... 3 1.1. Introducci´on............................... 3 1.2. Proyecto................................. 3 1.2.1. Motivaci´on ........................... 3 1.2.2. Equipohumano......................... 4 1.2.3. Papel del autor en el experimento . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2.4. Cronolog´ıa............................ 5 1.3. Infraestructura ............................. 6 1.3.1. Laboratorio subterr´aneo de Canfranc . . . . . . . . . . . . . 6 1.3.2. Cristales detectores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3.3. Fotomultiplicadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3.4. Blindaje de plomo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.3.5. Caja anti-rad´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3.6. Vetos............................... 9 1.3.7. Cadena electr´onica y sistema de adquisici´on . . . . . . . . . 10 1.3.8. Caseta.............................. 10 2. Requisitos y validaci´on del sistema .................. 11 2.1. Requisitos principales de la cadena electr´onica . . . . . . . . . . . . 11 2.2. Requisitos principales del software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.3. Validaci´on................................ 13 2.4. Condiciones y entornos de prueba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.5. Montaje de pruebas en la Universidad de Zaragoza . . . . . . . . . 14 2.5.1. Pruebas funcionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.5.2. Medidas de tiempo muerto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.5.3. Origen del retardo en la espera a la IRQ . . . . . . . . . . . 16 2.6. Pruebas con el prototipo en el LSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.6.1. Verificaciones funcionales y de estabilidad . . . . . . . . . . 17 iii ´ Indice general 3. Conclusiones y trabajos futuros .................... 19 3.1. Conclusiones............................... 19 3.2. Trabajosfuturos ............................ 19 3.2.1. Slow Control .......................... 19 3.2.2. An´alisis de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.2.3. Parche tiempo real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.2.4. Ruido electr´onico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Bibliograf´ıa ................................... 21 II Ap´endices 25 A. Cadena electr´onica ............................. 27 A.1. Tratamiento de se˜nal de centelleo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 A.1.1. Descripci´on de la se˜nal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 A.1.2. Detecci´on de eventos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 A.1.3. Tratamiento anal´ogico de la se˜nal . . . . . . . . . . . . . . . 30 A.1.4. Digitalizaci´on de la se˜nal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 A.1.5. Otros par´ametros digitalizables de la se˜nal . . . . . . . . . . 32 A.2. Otros datos a adquirir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 A.2.1. Ritmo de interacciones, tiempo real y tiempo muerto . . . . 32 A.2.2. Par´ametros ambientales y monitorizaci´on de sistemas . . . . 33 A.3. Requisitos de la cadena electr´onica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 A.4. Elecciones de dise˜no . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 A.4.1. Bus VME y electr´onica NIM . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 A.4.2. Discriminadores y m´odulos AND . . . . . . . . . . . . . . . 36 A.4.3. Tarjeta digitalizadora de se˜nal (Matacq) ........... 37 A.4.4. Tarjeta digitalizadora de carga (QDC) ............ 38 A.4.5. Tarjeta de almacenamiento de patr´on de coincidencia (Pattern Unit) ............................ 38 A.4.6. Contador y contador latched . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 A.5. Descripci´on de m´odulos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 A.6. Descripci´on Funcional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 A.6.1. Esquema de contadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 A.7. Pruebas de validaci´on y comparativas . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 A.7.1. Tests discriminadores: Umbral y fracci´on constante . . . . . 45 A.7.2. Digitalizadora (Matacq) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 A.7.3. Integradores de carga (QDC) . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 A.7.4. Retardos anal´ogicos, retardos digitales y digitalizadores de tiempo(TDC).......................... 46 A.8. Problemas encontrados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 A.8.1. Generaci´on de ruido el´ectrico . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 A.8.2.M´oduloOR ........................... 47 A.8.3. Integradores de carga (QDC) . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 A.8.4. Entradas y salidas del controlador del Bus VME . . . . . . . 47 A.8.5. Enmascarar interrupciones con el I/O Register V977 . . . . 48 iv ´ Indice general B. Software de ANAIS ............................ 49 B.1. Software de adquisici´on de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 B.1.1. Requisitos del Software de adquisici´on de datos . . . . . . . 50 B.1.2. Componentes del software de adquisici´on . . . . . . . . . . . 51 B.1.3. Dise˜no del programa de adquisici´on . . . . . . . . . . . . . . 54 B.2.Otrosoftware .............................. 56 B.2.1. Software de An´alisis de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 B.2.2. Software de monitorizaci´on(slow control) ........... 58 B.2.3. Software de an´alisis de ruido el´ectrico . . . . . . . . . . . . . 58 C. Pruebas de conjunto ........................... 61 C.1.Objetivos ................................ 61 C.2. Condiciones y entornos de prueba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 C.3. Montaje de pruebas en la Universidad e Zaragoza . . . . . . . . . . 62 C.3.1. Pruebas funcionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 C.3.2. Medidas de tiempo muerto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 C.3.3. Origen del retardo en la espera a la IRQ . . . . . . . . . . . 69 C.4. Pruebas con el prototipo en el LSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 C.4.1. Verificaciones funcionales y de estabilidad . . . . . . . . . . 73 D. Glosario ................................... 75 v ´ Indice de figuras 1.1. Modulaci´on anual en la detecci´on de materia oscura . . . . . . . . . 4 1.2. Infraestructura de ANAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.3. Cristal y fotomultiplicador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.4. Detector y blindaje de plomo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.5. Caseta, caja anti-rad´on y blindaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1. Calibraciones del prototipoIII en Zaragoza . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2. Informaci´on enviada autom´aticamente por el sistema de adquisici´on 18 A.1. Ejemplo de centelleo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 A.2. Centelleo (baja energ´ıa) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 A.3. Centelleo en coincidencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 A.4. Composici´on de los tiempos muertos de un evento . . . . . . . . . . 33 A.5. Chasis NIM y Chasis VME en un rack . . . . . . . . . . . . . . . . 36 A.6. Esquema de la cadena electr´onica de cada detector . . . . . . . . . 41 A.7. Esquema de la cadena electr´onica global . . . . . . . . . . . . . . . 43 A.8. Esquema de contadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 B.1. Componentes software de adquisici´on . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 B.2. Dise˜no del software de adquisici´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 B.3. Visualizaci´on de par´ametros de an´alisis de pulsos . . . . . . . . . . 57 B.4. Espectro de ruido obtenido con el software de an´alisis de ruido el´ectrico ................................. 59 C.1. Calibraciones del prototipoIII en Zaragoza . . . . . . . . . . . . . . 63 C.2. Medidas de tiempo muerto en distintas configuraciones . . . . . . . 65 C.3. Frecuencias de adquisici´on con distintas configuraciones en funci´on de la frecuencia a la que llegan las se˜nales . . . . . . . . . . . . . . 66 C.4. Ruido provocado por la encuesta al bus VME . . . . . . . . . . . . 68 C.5. Distribuci´on de RMS de la linea base: interrupci´on y encuesta . . . 69 C.6. Esquemas temporales de la adquisici´on: IRQ Digitalizadora y IRQ I/O Register ............................... 71 C.7. Informaci´on enviada autom´aticamente por el sistema de adquisici´on 73 vii Cap´ıtulo 1. El experimento ANAIS ir adaptando a este crecimiento gradual de detectores sin presentar problemas de funcionamiento ni rendimiento. 1.3. Infraestructura En esta secci´on se describen los elementos que componen el experimento para poder dar una idea general de su funcionamiento. Debido al bajo ritmo de interacci´on esperado de los WIMPs y a que se espera que depositen poca energ´ıa es necesario trabajar en un entorno de m´axima radiopureza: en subterr´aneo, fabricando todos los componentes con materiales de muy baja radioactividad y apantallando las posibles contaminaciones externas con blindajes adecuados. En la Figura 1.2 se puede ver esta infraestructura, desde los cristales con su carcasa de cobre en el interior, los fotomultiplicadores en sus dos extremos, el blindaje de plomo, la caja estanca anti-rad´on y los vetos en el exterior, de color negro y con un fotomultiplicador en el extremo. A continuaci´on se repasa cada uno de estos elementos junto al sistema de adquisici´on de datos. Figura 1.2: Infraestructura f´ısica del experimento ANAIS. 1.3.1. Laboratorio subterr´aneo de Canfranc El experimento est´a ubicado en el Laboratorio Subterr´aneo de Canfranc para poder aislarse de los rayos c´osmicos. As´ı, bajo 850 metros de roca, el flujo de 6 Cap´ıtulo 1. El experimento ANAIS muones es muy inferior en el interior del laboratorio, situado debajo del pico Tobazo que hace de blindaje. En el interior del laboratorio se tiene un flujo de muones que es hasta cinco ordenes de magnitud menor que en la superficie. La especial ubicaci´on del experimento condiciona el desarrollo y las pruebas del sistema completo. En particular, exige que la mayor parte de las pruebas unitarias puedan hacerse por separado dado que s´olo en Canfranc se tiene todo el montaje con todos los elementos y en las condiciones finales. Por ese mismo motivo ANAIS requiere unas pruebas de conjunto concienzudas y que el sistema sea f´acilmente monitorizable y en lo posible manipulable v´ıa Internet. 1.3.2. Cristales detectores El elemento fundamental del experimento son los cristales detectores. Son cristales centelleadores que convierten la energ´ıa depositada por la radiaci´on ionizante en luz, generando una cantidad de luz proporcional a la energ´ıa que deposita en su interacci´on con el cristal. Para el prop´osito del experimento es muy importante que los cristales sean radiopuros: deben contener la m´ınima impureza radioactiva que proporcione ruido a la se˜nal que se desea detectar. Este es un requisito imprescindible porque la posible contaminaci´on podr´ıa enmascarar la se˜nal esperada y dificultar o imposibilitar la determinaci´on de la oscilaci´on anual. En prototipos previos se ha podido determinar las contaminaciones de los cristales usados y los is´otopos radioactivos m´as molestos. El requisito que deben cumplir los detectores es poseer menos de 20 ppb (partes por bill´on anglosaj´on) de potasio, cuyo is´otopo, 40K, es especialmente perjudicial para el experimento porque tiene una l´ınea de desintegraci´on en la zona de inter´es. En la actualidad se est´a midiendo con un prototipo del que se ha caracterizado las contaminaciones y se ha determinado que no es apropiado para los prop´ositos de la detecci´on de materia oscura. No obstante, aunque este prototipo no es adecuado para el experimento final (sus niveles de contaminaci´on son superiores a los requeridos), ha permitido optimizar el dise˜no del encapsulamiento, estudiar distintos modelos de fotomultiplicadores, poner a punto la electr´onica y sistema de adquisici´on de datos, etc. En 2012 se espera recibir dos cristales ultrapuros de los que se determinar´a del mismo modo sus niveles de contaminaci´on. Si estos niveles son adecuados se proceder´a a montar el experimento completo con veinte cristales del mismo fabricante. 1.3.3. Fotomultiplicadores La detecci´on de la luz generada en los cristales se realiza mediante fotomultiplicadores. Estos dispositivos son capaces de generar electrones mediante el efecto fotoel´ectrico y posteriormente multiplicar el n´umero de electrones para que la se˜nal el´ectrica sea tratable electr´onicamente. Para su operaci´on necesitan una fuente de alto voltaje. Los fotomultiplicadores usados en ANAIS necesitan voltajes entre 1000 V y 1500 V. En ANAIS se usan dos fotomultiplicadores por cristal para detectar luz en sus dos extremos. Esto tiene como objetivo poder confirmar que la se˜nal detectada 7 Cap´ıtulo 1. El experimento ANAIS proviene de un centelleo del cristal y no es una detecci´on fortuita de un fot´on generado en o en la proximidad del fotomultiplicador. En la figura 1.3 se puede observar como una interacci´on en un cristal genera luz y esta luz es detectada por el fotomultiplicador. Figura 1.3: Interacci´on de una part´ıcula en un cristal que provoca un centelleo, detectado por un fotomultiplicador y convertido en se˜nal el´ectrica. PMT es el fotomultiplicador, HV el alto voltaje necesario para el fotomultiplicador, DAG es la se˜nal e incident muon es una part´ıcula que provoca un centelleo, una emisi´on de luz. 1.3.4. Blindaje de plomo Los cristales y los fotomultiplicadores se rodean con ladrillos de plomo para aislar en lo posible a los detectores de la radioactividad natural. De otro modo los detectores registrar´ıan toda la actividad circundante que no dejar´ıa observar efectos sutiles como el que se quiere detectar. El blindaje consiste en 30 cm de plomo, de los cuales los 10 cm m´as internos son plomo arqueol´ogico de baja actividad. En la figura 1.4 se puede observar el progreso de montaje del blindaje que rodea al prototipo. Tambi´en se puede observar el detector con su carcasa de cobre y los dos fotomultiplicadores a los lados. 8 Cap´ıtulo 1. El experimento ANAIS Figura 1.4: Progreso de montaje del blindaje del Prototipo IV. Sobre el plomo se ve el detector con su carcasa de cobre. En el centro el cristal con forma paralelepip´edica y en los extremos los fotomultiplicadores en sus carcasas de forma cil´ındrica. 1.3.5. Caja anti-rad´on El blindaje se encuentra en el interior de un caja estanca de policarbonato con perfiles de aluminio que permite un cierre herm´etico y a la que se le puede suministrar un flujo de nitr´ogeno gas para desalojar el rad´on del aire de la cavidad m´as pr´oxima a los detectores. El rad´on es relativamente abundante en subterr´aneos y tiene actividad radioactiva muy molesta para la zona de inter´es. 1.3.6. Vetos Son detectores de pl´astico centelleador colocados fuera del blindaje para detectar sucesos de alta energ´ıa. Detectan muones que atraviesan la monta˜na y llegan hasta el experimento. El centelleo de estos vetos en coincidencia con un suceso en los cristales de NaI, permite rechazarlos ya que se debe atribuir a un mu´on y no a la materia oscura. Si un evento en el cristal coincide con una se˜nal en los vetos se descarta (se veta) por ese motivo. 9 Cap´ıtulo 1. El experimento ANAIS 1.3.7. Cadena electr´onica y sistema de adquisici´on A partir de la se˜nal de salida de los fotomultiplicadores comienza la cadena electr´onica encargada de la detecci´on de eventos y del tratamiento y digitalizaci´on de dicha se˜nal. Posteriormente el sistema de adquisici´on se encarga de leer y almacenar los datos y de monitorizar el buen funcionamiento del sistema. Es en este sistema en el que se centrar´a el presente trabajo. En el Anexo A Cadena electr´onica, p´agina 27, se repasar´an los requisitos que debe cumplir la cadena electr´onica y describir´a la implementaci´on del sistema hardware. En el Anexo B Software de ANAIS, p´agina 49, se ver´a el sistema software y en el Anexo C Pruebas de conjunto, p´agina 61, los tests realizados a todo el conjunto. 1.3.8. Caseta Todos los elementos descritos con anterioridad salvo el sistema de adquisici´on se encuentran en una caseta sin ventanas con una puerta de acceso que normalmente est´a cerrada. As´ı se a´ısla el experimento del resto del laboratorio y s´olo se rompe este aislamiento para el proceso rutinario de calibraci´on y tareas de mantenimiento. En la figura 1.5 se puede ver el interior de la caseta, con la caja anti-rad´on, los vetos encima de ella y el blindaje de plomo en su interior. Figura 1.5: Caseta en la que est´a el detector. Se puede ver en su interior el blindaje de plomo dentro de la caja anti-rad´on, encima de la cual est´an los vetos. 10 Cap´ıtulo 2 Requisitos y validaci´on del sistema En el presente cap´ıtulo se hace un breve repaso a los requisitos de la cadena electr´onica y del software. Tambi´en se da un vistazo a la validaci´on del conjun- to. En el Anexo A Cadena electr´onica, p´agina 27, se ve con m´as detalle la cadena electr´onica, sus requisitos, su implementaci´on y algunas comparativas entre m´odulos. En el Anexo B Software de ANAIS, p´agina 49, se detallan los requisitos del software y su implementaci´on. En el Anexo C Pruebas de conjunto, p´agina 61, se ven todos los test realizados, los datos resultantes de ellos, la caracterizaci´on del sistema y la elecci´on de las mejores configuraciones. 2.1. Requisitos principales de la cadena electr´onica La cadena electr´onica del sistema de adquisici´on del experimento ANAIS la componen todos los elementos anal´ogicos y digitales para el proceso y digitalizaci´on de la se˜nal de los fotomultiplicadores. Dicha cadena electr´onica debe cumplir una serie de requisitos que vienen marcados por el tipo de se˜nal, por los par´ametros relevantes a extraer de ella y por los otros datos a almacenar descritos en la secci´on anterior. La cadena electr´onica deber´a estar correctamente dimensionada tambi´en para el n´umero final de detectores. Adem´as es imprescindible en el dise˜no la validez en la generaci´on de datos, el uso adecuado y v´alido de buffers y la m´axima estabilidad temporal en el disparo y digitalizaci´on de la se˜nal. En el Anexo A Cadena electr´onica, p´agina 27, se ven tanto los requisitos como la implementaci´on con m´as detalle. Disparo en coincidencia: La detecci´on de un evento debe realizarse con la coincidencia de dos v´ıas de un cristal. El disparo debe ser capaz de generarse con eventos de baja energ´ıa y ser robusto frente a falsos positivos: coincidencias fortuitas y ruidos el´ectricos. Tambi´en es un requisito del experimento guardar informaci´on de qu´e cristal o cristales han sido los causantes del disparo del evento. Resoluci´on temporal del orden de nanosegundos: Dado que la se˜nal elemental es la de los fotones individuales detectados por el fotomultiplicador, tambi´en llamados fotoelectrones. Dicha se˜nal es del orden de la decena de nanosegundos es necesaria una frecuencia de muestreo muy alta, del orden de las gigamuestras por segundo para poder reconstruir la forma de la se˜nal y no perder informaci´on relevante. Tambi´en es necesario que el ancho de banda del sistema hasta su digitalizaci´on sea el adecuado para respetar todas las frecuencias de inter´es de la se˜nal. 11 Cap´ıtulo 2. Requisitos y validaci´on del sistema Bajo umbral: El sistema debe tratar de detectar las interacciones de la m´as baja energ´ıa posible y por lo tanto el umbral de detecci´on debe ser lo m´as bajo que permita el ruido el´ectrico. Esto impone restricciones al tratamiento de la se˜nal, a los discriminadores y a los niveles de ruido aceptados. Tiempo real y tiempo muerto: Para la medida del ritmo de interacciones es fundamental medir el tiempo real y el tiempo muerto acumulado (ver definiciones en A.2.1 Ritmo de interacciones, tiempo real y tiempo muerto, p´agina 32). Adem´as, para aprovechar al m´aximo el tiempo de detecci´on es importante minimizar el tiempo muerto dado que para el experimento es crucial maximizar el tiempo de medida. Tambi´en es muy importante medir con precisi´on esos tiempos para poder comparar cuantitativamente las medidas obtenidas con los resultados de las simulaciones de radiaci´on de fondo natural. Otros requisitos: Ventana de digitalizaci´on de 1µs, precisi´on suficiente en los valores de digitalizaci´on, m´aximo rango din´amico-energ´etico, validez y correlaci´on de datos, estabilidad temporal y contenci´on del coste econ´omico respetando todos los requisitos anteriores. 2.2. Requisitos principales del software En este apartado se repasan los distintos requisitos que debe cumplir el software, entre los que destacan la funcionalidad b´asica de transmitir y almacenar los datos y el tener caracterizado y en lo posible minimizado el tiempo muerto. En el Anexo B Software de ANAIS, p´agina 49 se repasan estos requisitos con m´as detalle, se describe todo el software y el dise˜no y la implementaci´on del software desarrollado. Adquisici´on y almacenamiento datos: Como funci´on principal el software debe encargarse de recibir la informaci´on de la llegada de un nuevo evento, transmitir los datos de los m´odulos que han digitalizado y almacenar esos datos para su posterior an´alisis. Debe por tanto preguntar o esperar a recibir la informaci´on de evento nuevo, comprobar que cada tarjeta est´a preparada para ser le´ıda, leer los datos y rearmar cada una de las tarjetas que lo requiera. Tambi´en, seg´un el esquema que se puede ver en A.6 Descripci´on Funcional, p´agina 40, debe volver a poner activa a la cadena electr´onica. Minimizar el tiempo muerto introducido por el software: El tiempo muerto introducido por el software debe ser peque˜no frente al tiempo muerto introducido por el hardware y la transmisi´on de datos. Modo Calibraci´on: El programa debe calibrar el detector, es decir, debe adquirir datos provenientes de fuentes radioactivas que se colocan en las proximidades del detector. Esas fuentes emiten radiaci´on en energ´ıas conocidas y el sistema debe poder guardar la informaci´on de calibraci´on. De este modo, cunado el sistema adquiera los datos sin presencia de fuente (datos de radiaci´on de fondo) se puede 12 Cap´ıtulo 2. Requisitos y validaci´on del sistema establecer la correspondencia entre digitalizaci´on y energ´ıa depositada. Existen pues dos modos de funcionamiento: Calibraci´on: En este modo se supone que hay una fuente radioactiva, por lo tanto no se digitaliza la se˜nal y solo se toman datos de las integradoras de carga (QDC). Adem´as se genera un histograma con los valores de QDC que es directamente el espectro de energ´ıa de la fuente de calibraci´on. En ella se observan picos que corresponden a las diversas emisiones de la fuente. Las fuente por lo general tienen una alta actividad y por ello se obtienen muchos datos en muy poco tiempo. Por lo tanto en este modo la frecuencia de adquisici´on es alta, dependiendo de la fuente, pero puede llevar a saturar el ritmo de adquisici´on con el tiempo muerto, que sin digitalizaci´on es de unos 2,5 KHz. Fondo: En este modo s´ı interesa digitalizar porque interesa caracterizar al m´aximo y con todos los detalles la interacciones producidas en el cristal. En este caso y en condiciones de laboratorio subterr´aneo, la frecuencia de adquisici´on no deber´ıa ser superior al Hercio. Monitorizabilidad: ANAIS es un experimento dise˜nado para estar a˜nos tomando datos en el Laboratorio Subterr´aneo de Canfranc. Por lo tanto el acceso f´ısico al montaje no es f´acil ni inmediato. Por este motivo es muy importante que el sistema pueda dar la informaci´on necesaria para evaluar su funcionamiento correcto e informar autom´aticamente a trav´es de Internet de posibles problemas que requieran de intervenci´on humana. Estabilidad: En un experimento sin supervisi´on humana constante es importante que el sistema sea lo suficientemente robusto como para funcionar de un modo desatendido, m´axime teniendo en cuenta los datos que podr´ıan perderse por un fallo software. Escalabilidad: El comportamiento de todo el sistema debe escalar adecuadamente conforme el sistema vaya creciendo en n´umero de detectores y de m´odulos. Es importante detectar bugs de rendimiento y hacer en lo posible tests de escalabilidad. Otros requisitos: Formato de salida f´acilmente visualizable, configurabilidad, modo calibraci´on y robustez en el almacenamiento de los datos. 2.3. Validaci´on En este apartado se da un vistazo a las pruebas y caracterizaci´on del sistema que se realizaron para su validaci´on. En el Anexo C Pruebas de conjunto, p´agina 61, se describen con mucho m´as detalle. 13 Cap´ıtulo 2. Requisitos y validaci´on del sistema Los objetivos de las pruebas de validaci´on son corroborar que se cumplen los requisitos de dise˜no, encontrar de configuraci´on y caracterizar el sistema. A continuaci´on se describen las distintas condiciones en las que se se pueden hacer test a un sistema como ´este y posteriormente se describir´an brevemente las pruebas realizadas y las conclusiones de dichas pruebas. 2.4. Condiciones y entornos de prueba El sistema de adquisici´on debe estar dise˜nado para las condiciones que se va a encontrar un laboratorio subterr´aneo y con blindajes adecuados. Pero las pruebas en el Laboratorio Subterr´aneo de Canfranc son siempre m´as complicadas por dificultad de acceso, posible falta de materiales (cables, conectores, etc.) y por no estar todo el equipo humano y equipamiento electr´onico de que se dispone en la Universidad de Zaragoza. Por eso se plante´o hacer la mayor parte de las pruebas posibles en superficie, en laboratorios de la Facultad de Ciencias. A continuaci´on se repasan las diferencias entre uno y otro entorno y el tipo de pruebas que se pueden hacer en cada uno de ellos. Condiciones en superficie y sin blindaje En superficie y sin blindaje se est´a expuesto a toda la radioactividad natural, desde los rayos c´osmicos y sus productos hasta los is´otopos radioactivos naturales que nos rodean (radiaci´on de fondo). En superficie y sin blindaje la radiaci´on de fondo es demasiado intensa para los prop´ositos de ANAIS, dando unas frecuencias de adquisici´on muy altas incluso subiendo las energ´ıas de corte. No obstante este fondo es un buen test para verificar que el sistema funciona. Adicionalmente, en superficie tambi´en se puede calibrar el sistema con fuentes radioactivas de energ´ıas conocidas. Condiciones en subterr´aneo y con blindaje En estas condiciones el ritmo de la radiaci´on de fondo debe ser mucho menor y por lo tanto el ritmo de la adquisici´on de fondo debe serlo tambi´en, permitiendo te´oricamente bajar el umbral ya que hasta el detector s´olo llega la radiaci´on que atraviesa la monta˜na y la poca radioactividad natural de un entorno radiopuro. En estas condiciones merece la pena simular como debe ser el fondo en funci´on de las contribuciones de is´otopos conocidos y posteriormente compararlo con los datos de radiaci´on de fondo obtenidos. Este trabajo se ha hecho con mucho detalle y con buenos resultados para el prototipoIV[10]. En estas condiciones quedan las pruebas m´as delicadas que son las de estabilidad y de bajo umbral, que son dif´ıciles de hacer en superficie, aunque conviene repetir la pruebas anteriores y por supuesto calibrar el sistema para conocer la equivalencia energ´etica de los valores de digitalizaci´on. 2.5. Montaje de pruebas en la Universidad de Zaragoza Para poder hacer la mayor cantidad de pruebas posibles antes de tener el sistema midiendo en el LSC se instal´o un montaje de pruebas en Z la Universidad de Zaragoza, en condiciones de superficie con la primera versi´on de la electr´onica descrita en la secci´on A.6 Descripci´on Funcional, p´agina 40. 14 Cap´ıtulo 2. Requisitos y validaci´on del sistema 2.5.1. Pruebas funcionales Para verificar que la cadena electr´onica funcionaba correctamente se calibr´o el detector digitalizando y guardando las se˜nales con fuentes radioactivas de energ´ıas conocidas. En estas pruebas ya se realiza un repaso completo a la funcionalidad: adquisici´on de datos, modo calibraci´on, prueba de la configuraci´on y verificaci´on de los datos de salida tanto directamente como por el programa de an´alisis. En la figura 2.1 se pueden ver algunos resultados de esas calibraciones. En la parte superior se puede ver de izquierda a derecha el espectro de 60Co y de 57Co. En la parte inferior izquierda el mismo espectro de 60Co calculado con el ´area de la se˜nal por el programa de an´alisis (ver B.2.1 Software de An´alisis de datos, p´agina 56) y que obtiene los mismos picos de 1,17 y 1,33 MeV que con los integradores de carga (QDC) y adem´as se observa el pico suma que en que en los QDC saturaba. En la parte inferior derecha se observa la correspondencia lineal entre el ´area calculada con el programa de an´alisis y las medidas directas del QDC, con zonas de saturaci´on y de pedestal (valor m´ınimo de la digitalizaci´on). Figura 2.1: Calibraciones del PrototipoIII en Zaragoza. De izquierda a derecha, arriba: espectros de 60Co y de 57Co. Izquierda abajo: espectro de 60Co calculado con el ´area de la digitalizaci´on. Derecha abajo: correspondencia entre valores de ´area y de QDC de alta energ´ıa. 15 Bibliograf´ıa light-mass dark matter with a p-type point contact germanium detector,” Phys. Rev. Lett., vol. 106, p. 131301, Mar 2011. [8] G. Angloher, M. Bauer, I. Bavykina, A. Bento, A. Brown, C. Bucci, C. Ciemniak, C. Coppi, G. Deuter, F. von Feilitzsch, D. Hauff, S. Henry, P. Huff, J. Imber, S. Ingleby, C. Isaila, J. Jochum, M. Kiefer, M. Kimmerle, H. Kraus, J.-C. Lanfranchi, R. Lang, B. Majorovits, M. Malek, R. McGowan, V. Mikhailik, E. Pantic, F. Petricca, S. Pfister, W. Potzel, F. Pr¨obst, W. Rau, S. Roth, K. Rottler, C. Sailer, K. Sch¨affner, J. Schmaler, S. Scholl, W. Seidel, L. Stodolsky, A. Tolhurst, I. Usherov, and W. Westphal, “Commissioning run of the cresst-ii dark matter search,” Astroparticle Physics, vol. 31, no. 4, pp. 270 – 276, 2009. [9] R. Bernabei, P. Belli, F. Cappella, R. Cerulli, C. Dai, A. d’Angelo, H. He, A. Inc icchitti, H. Kuang, J. Ma, F. Montecchia, F. Nozzoli, D. Prosperi, X. Sheng, and Z. Ye, “First results from DAMA/LIBRA and the combined results with DAMA/NaI,” The European Physical Journal C - Particles and Fields, vol. 56, pp. 333–355, 2008. 10.1140/epjc/s10052-008-0662-y. [10] S. Cebri´an, C. Cuesta, J. Amar´e, S. Borjabad, D. Fortu˜no, E. Garc´ıa, C. Ginestra, H. G´omez, M. Mart´ınez, M. ´ A. Oliv´an, Y. Ortigoza, A. Ortiz de Sol´orzano, C. Pobes, J. Puimed´on, M. Sarsa, and J. Villar, “Background model for a NaI(Tl) detector devoted to dark matter searches.” submitted, 2012. [11] C. 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