Instrumentação ATCA para Diagnósticos de Espectroscopia Digital de Radiação Gama no JET

Abstract

O trabalho realizado para esta dissertação originou um sistema de aquisição e processamento de dados em tempo real, baseado no barramento ATCA e no protocolo de comunicação PCI Express, para espectroscopia de radiação . O sistema desenvolvido foi concebido e implementado com o objectivo de processar e armazenar todos os valores de energia dos eventos resultantes da radiação  gerada em experiências com plasmas nucleares de longa duração, com uma taxa de ocorrência que pode atingir os 5 M pulsos/s. O sistema foi desenvolvido como parte do projecto de melhoramento dos diagnósticos de radiação  do tokamak JET [Blan 10, Liou 05] e engloba dois sistemas distintos: (i) espectrómetro de raios , para determinação de espectros em energia; e (ii) câmaras de raios , inserida no monitor de perfis de neutrões para localizar a emissão de raios . A insuficiente resolução energética, temporal e espacial dos sistemas de aquisição de dados dos actuais diagnósticos de radiação  no JET, motivou o desenvolvimento de um sistema de alta velocidade com capacidades de processamento digital de pulsos que permitisse a digitalização do sinal o mais próximo do detector possível, minorando interferências externas na medida. O módulo de aquisição utilizado neste sistema foi desenvolvido de acordo com uma arquitectura optimizada para extrair a informação principal dos eventos e correr algoritmos específicos para redução/análise em tempo real dos dados adquiridos. Com este objectivo foram desenvolvidos modos de disparo1 complexos de modo a permitir a aquisição dos eventos em todo o período da operação do tokamak (~40s). A taxa máxima de amostragem utilizada é de 400 Mamostras/s com 14 bits de resolução permitindo a adequada resolução de energia mesmo para eventos muito rápidos (~40 ns). A capacidade de processamento digital do sistema é baseada em dispositivos de lógica programável (FPGA) em que cada FPGA é responsável pelo encaminhamento e processamento dos dados de 4 canais, bem como pelo controlo de uma memória local (2 GB) e pela interface ao processador do sistema (PCIe). O sistema está actualmente instalado no JET e validado para o diagnóstico de espectroscopia de radiação . Foi igualmente instalado no diagnóstico das câmaras de neutrões/raios  estando prevista a sua validação durante campanhas de exploração desta máquina em 2011/201

The work of this dissertation has originated a real-time system for data acquisition and processing, based on the ATCA bus and PCI Express communication protocol, dedicated to  ray spectroscopy. The developed system was designed and implemented in order to analyse and store all the energy values of  ray resulting from the events generated in the experiment, with a throughput up to 5 Mpulses/s and without any loss of information, during long-term nuclear plasmas. The system was developed as part of the enhancement project at JET to improve tokamak diagnostics and comprises two distinct systems to study  rays: (i)  ray spectrometer to determine energy spectra; (ii)  rays cameras inserted in the neutron profile monitor to measure the spatial distribution of the gamma-ray emission sources in the JET plasma. The current data acquisition systems of the  ray diagnostics at JET provides insufficient energy, temporal and spatial resolution and has motivated the development of a high-speed system with digital pulse processing capabilities. This digital pulse processing system allows the signal digitalization as close to the detector as possible minimizing external interference in measurements. The acquisition module used in this system was developed accordingly to an optimized architecture to extract the main information of events and run specific real-time algorithms to reduce/analyze acquired data. With this aim, complex triggering modes have been developed to allow event acquisition during the entire operation period of JET tokamak (~ 40s). The maximum sampling rate used was 400 Msample/s with 14 bit of resolution allowing adequate energy resolution for very fast events (~ 40 ns). The ability of digital processing system is based on programmable logic devices (FPGAs). The architecture adopted in each FPGA is responsible for data path and processing from 4 channels, as well as for control of a local memory (2 GB) and interface (PCI Express) to the system processor. The system is currently installed at JET and validated for the  ray spectroscopy diagnostic. The system related to the  ray cameras diagnostic has also been installed but its validation is expected only during the next campaigns for the exploitation of the machine during 2011/2012.