sviluppo di un sistema di acquisizione per rivelatori ... · run completati e decine di test per un...

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DELL’INSUBRIASede di Como

Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali IICorso di Laurea in Fisica

SVILUPPO DI UN SISTEMA DIACQUISIZIONE PER RIVELATORI

CRIOGENICI INNOVATIVI

Relatore interno: Prof. Andrea GIULIANIPrimo correlatore: Dott.ssa Chiara BROFFERIOSecondo correlatore: Dott. Stefano PIRRO

Tesi di Laurea di:Luca Gennaro FOGGETTA

Matr. 521173Codici P.A.C.S.

07.05.Hd - 14.60.Pq07.20.Mc - 29.30.Ep

Alla mia famiglia,e a tutti coloro a cui voglio bene,

che danno così senso al vivere

Sommario

IINTRODUZIONE AL DOPPIO DECADIMENTO BETA...........................................................1

I.ICRONOLOGIA...............................................................................................................................1I.IIIL MODELLO STANDARD E I NEUTRINI..............................................................................................1I.IIIIL DOPPIO DECADIMENTO BETA ....................................................................................................4

I.III.IAccenni di teoria generale sul doppio beta....................................................................4I.III.IIApprossimazioni per il calcolo dell’elemento di matrice..............................................9I.III.IIII parametri di oscillazione del neutrino.....................................................................10

I.IVGLI ESPERIMENTI.....................................................................................................................13I.IV.IEsperimenti col 76Ge....................................................................................................16

IGEX – International Germanium Experiment..................................................................16Heidelberg-Moscow - HM.................................................................................................17

Prima dichiarazione ufficiale sulla massa del neutrino..................................................18I.IV.IIEsperimenti coi bolometri al TeO2..............................................................................20

MiBeta e Cuoricino............................................................................................................20I.IV.IIIEsperimenti con tracciamento....................................................................................21

Gottardo 136Xe..................................................................................................................21Nemo 2-3...........................................................................................................................22

I.IV.IVRiassunto sulle misure di massa.................................................................................24I.IV.VIl futuro degli esperimenti sul ββ(0ν)..........................................................................25

CANDLES - CAlcium fluoride for studies of Neutrino and Dark matters by Low EnergySpectrometer......................................................................................................................26Majorana............................................................................................................................26COBRA..............................................................................................................................27MOON...............................................................................................................................27EXO...................................................................................................................................27GENIUS/GERDA..............................................................................................................28

IILA TECNICA BOLOMETRICA PER IL DOPPIO DECADIMENTO BETA SENZAEMISSIONE DI NEUTRINI.........................................................................................................29

II.IESPERIMENTI COI BOLOMETRI AL TEO2........................................................................................29II.I.II criostati a diluizione....................................................................................................30II.I.IIVolumi sperimentali......................................................................................................31II.I.IIISchermature.................................................................................................................32II.I.IVBolometri.....................................................................................................................32

Schema termico del bolometro..........................................................................................33Sistema reticolare...........................................................................................................34Sistema elettronico.........................................................................................................35

II.I.VI trasduttori termo-elettrici...........................................................................................37Termistori...........................................................................................................................37

II.I.VIIl rumore nei bolometri................................................................................................39Il rumore intrinseco ...........................................................................................................39

Rumore Johnson ...........................................................................................................39Rumore fononico ..........................................................................................................40Rumore 1/f.....................................................................................................................40

I

Rumore granulare..........................................................................................................40II.I.VIIMiBeta, Cuoricino e CUORE.....................................................................................41

Sorgenti..............................................................................................................................41Setup..................................................................................................................................41

Preparazione dei cristalli................................................................................................41MiBeta ..............................................................................................................................44

Risultati sperimentali.....................................................................................................44CUORICINO.....................................................................................................................46

Risultati sperimentali.....................................................................................................47CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events).....................................50

II.IIIL PROBLEMA DEL FONDO RADIOATTIVO NEGLI ESPERIMENTI BOLOMETRICI.........................................51

IIISVILUPPO DI CRIORIVELATORI A COMO........................................................................53

III.IRUOLO DEL LABORATORIO.........................................................................................................53III.IICRIOSTATI.............................................................................................................................53

III.II.ITbt ...............................................................................................................................54III.II.IIAir liquide...................................................................................................................54

III.IIIELETTRONICA DI LETTURA.......................................................................................................56

IVL’ACQUISIZIONE DATI DI BRAIN......................................................................................58

IV.ILA STRUMENTAZIONE...............................................................................................................60IV.I.ICablaggi........................................................................................................................60IV.I.IICrate 8013A, 8025.......................................................................................................61IV.I.IIICrate Controller 8901A.............................................................................................61IV.I.IVDigitalizzatore LC6810..............................................................................................61

Ingressi...............................................................................................................................62Trigger e campionamento..................................................................................................62

IV.IICOMUNICAZIONI GPIB...........................................................................................................65IV.II.IComandi PC-GPIB......................................................................................................65

IV.IIICOMUNICAZIONI GPIB-CAMAC..........................................................................................67IV.III.IStati GPIB e funzioni correlate..................................................................................67IV.III.IIFunzioni di libreria e sue modifiche.........................................................................69IV.III.IIILAM - SRQ...............................................................................................................69IV.III.IVSerial Poll................................................................................................................69

IV.IVCOMUNICAZIONI CAMAC....................................................................................................69IV.IV.IComandi.....................................................................................................................70IV.IV.IIEsempi di comunicazione PC-GPIB-CAMAC bidirezionale....................................72

Serial Poll su LAM, generato da ADC satura....................................................................72Uscita da SRQ su LAM di più 6810 in LAM contemporaneo..........................................74Setup 6810 su ADC posta in posizione 3 su CC a canale 2...............................................79Lettura di un segmento di memoria di campionamento....................................................80

IV.VLA STRUTTURA DEL PROGRAMMA SOFTWARE ..............................................................................81IV.V.IInterfaccia grafica.......................................................................................................83

Pannelli figli e di programmi esterni.................................................................................87Pannello setup avanzato ................................................................................................87Pannello raccolta BaseLine............................................................................................87Pannello BrainConvert...................................................................................................87Pannello visualizzazione estesa.....................................................................................88Pannello BrainHot..........................................................................................................88

II

IV.V.IIStruttura del codice....................................................................................................89Esempio: inizializzazione scheda PCI-GPIB.................................................................91

IV.VIMANUALE D’USO E CODICE.....................................................................................................92IV.VI.ICampo Blu – Informazioni e display grafico.............................................................92

Popup di sistema................................................................................................................92Numerici di informazione..................................................................................................93Box informazioni...............................................................................................................93Display grafico...................................................................................................................94

IV.VI.IICampo Rosso - comandi di controllo e gestione comunicazioni moduli..................95Settore 1 - Gpib Contr........................................................................................................95Settore 2 – Crate Contr......................................................................................................95Settore 3 – Stazioni e nomi ADC.......................................................................................96Settore 4 – Selezione per operazioni comuni ADC...........................................................96Settore 5 – Comandi comuni.............................................................................................97

IV.VI.IIICampo Fucsia – Gestione programma....................................................................99IV.VI.IVCampo Giallo – Controlli parametri acquisizione..................................................99

Chiusura automatica run..................................................................................................100IV.VI.VCampo verde - Comandi impostazione setup 6810.................................................101

Settore A – Selezione canali............................................................................................101Settore B e D ...................................................................................................................102Settore C e F – Trigger, autotrigger e sincronizzazione ADC.........................................102Settore E - Gestione clock e settori.................................................................................103Settore setup avanzato.....................................................................................................104Procedura di inizializzazione, preparazione ed invio setup.............................................104

Procedura di preparazione al run.................................................................................104IV.VI.VICampo nero – Selezione visualizzazione canali e di funzione download..............106

Selezione visualizzazione e salvataggio spettri di potenza..............................................106Funzioni Esterne..............................................................................................................106Modalità di download e visualizzazione..........................................................................106

IV.VI.VIIIl setup di visualizzazione avanzata......................................................................108IV.VI.VIIIProcedura avvio run............................................................................................109IV.VI.IXMetodologia e processi di download.....................................................................110

Puntatore a funzioni di download....................................................................................117Linee di base....................................................................................................................119

Procedura raccolta linee di base...................................................................................121IV.VI.XStruttura dei file.......................................................................................................122

IV.VIIUTILIZZAZIONI DEL SISTEMA DI ACQUISIZIONE.........................................................................123IV.VII.IRivelatori per bassa radioattività al Germanio – Castel Baradello.......................123

Rivelatori HPGe...............................................................................................................123Processi lavorativi sulla schermatura...............................................................................126Misure..............................................................................................................................128Sensibilità del rivelatore..................................................................................................130

MDA ed DL.................................................................................................................131IV.VII.IIBolometri compositi...............................................................................................133

VRIVELATORI SENSIBILI A DEPOSIZIONI SUPERFICIALI DI ENERGIA......................134

V.IIL PROBLEMA DEL FONDO SUPERFICIALE NEGLI ESPERIMENTI BOLOMETRICI........................................134V.I.IIl fondo di CUORE-Cuoricino.....................................................................................135

V.IIBOLOMETRI COMPOSITI: UN METODO PER LA REIEZIONE DEL FONDO SUPERFICIALE............................136

III

V.II.IMetodi costruttivi........................................................................................................138V.II.IIMetodo di analisi dati ...............................................................................................139V.II.IIIScatter plot...............................................................................................................140

V.IIIRUN 1................................................................................................................................141V.III.IMisura 1.....................................................................................................................142V.III.IIMisura 2...................................................................................................................145

V.IVRUN 2................................................................................................................................147V.IV.IMisura 3.....................................................................................................................148V.IV.IIMisura 4-5-6.............................................................................................................151V.IV.IIIMisura 7..................................................................................................................153

V.VCONCLUSIONI........................................................................................................................158

BIBLIOGRAFIA GENERALE...................................................................................................159

IV

Sviluppo di un sistema di acquisizione per rivelatoricriogenici innovativi

Il presente lavoro di tesi si è svolto nell'ambito del programma di ricerca e sviluppo per l’esperimentoCUORE (Cryogenics Underground Observatory for Rare Events), una parte importante del quale sisvolge presso il Laboratorio di Criogenia del Dipartimento di Fisica e Matematica dell’Università degliStudi dell’Insubria, Como.Uno dei campi di maggiore interesse sperimentale e teorico nell’ambito del modello standard e deifondamenti dello stesso è costituito dalla fisica dei neutrini. La recente scoperta delle loro oscillazioniimplica che queste particelle abbiano massa, ma non è in grado di fissarne i valori assoluti. Diconseguenza stanno sorgendo notevoli proposte sperimentali e teoriche riguardanti la scala delle massedei neutrini e l'ordinamento, detto "gerarchia", dei tre autovalori di massa. Queste ricerche sono correlatecon la natura del campo descrivente i neutrini: essi possono essere rappresentati, al giorno d’oggi, sia daun campo spinoriale di Dirac che da uno di Majorana. La discriminazione fra le due possibilità puòavvenire tramite la rivelazione del doppio decadimento beta senza emissione di neutrini (ββ(0ν)). Questoè un processo nucleare raro, possibile solo per neutrini di Majorana, la cui probabilità scala con ilquadrato della massa della particella virtuale che compare nel diagramma, all'ordine più basso, relativo aquesto processo. Tale particella ha massa effettiva <mββ> corrispondente ad una combinazione linearedei tre autovalori di massa (m1, m2, m3) del neutrino.Una ricerca del valore di massa del neutrino è proposta da CUORE, un esperimento di nuovagenerazione la cui sensibilità prevista (<mββ> ∼ 0,05eV) potrebbe permettere l’osservazione del ββ(0ν)nella condizione di gerarchia di massa inversa, cioè con m3<m2<m1. Un prototipo di CUORE, Cuoricino,è attualmente in funzione presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, a L’Aquila. L’elementoprincipale del rivelatore CUORE è costituito dal bolometro che è sostanzialmente un calorimetro adefficienza di rivelazione prossima ad uno, sorgente del decadimento in studio, sensibile a singoleinterazioni ed operante a temperature di pochi mK. Il bolometro è costituito da due componentiprincipali: un cristallo assorbitore, in cui l’energia rilasciata dall’evento crea fononi, e un trasduttoretermoelettrico. In CUORE, il cristallo assorbitore è costituito da TeO2 (contente l'isotopo 130Te, candidatoal doppio decadimento beta) al quale viene ancorato un termistore di Ge drogato; la variazione ditemperatura nell’assorbitore viene tradotta in variazione della resistenza dal termistore. Si riesce così adeterminare l’energia dell’evento e a raccogliere lo spettro di energia relativo ai processi che hannoavuto luogo nell'assorbitore: la forma di tale spettro è l'elemento discriminante la tipologia del doppiodecadimento beta e, per converso, la natura del neutrino.Nel Laboratorio di Criogenia dell’Università degli Studi dell’Insubria, allestito dal gruppo di ricerca esviluppo di CUORE, il progetto principale è attualmente lo sviluppo di bolometri compositi a riduzioneattiva del fondo radioattivo. Quest’ultimo proviene da contaminazioni superficiali (emettenti tipicamenteparticelle α e β degradate in energia) degli elementi costituenti il setup di CUORE. Il suddetto fondoradioattivo è il parametro sperimentale più critico per l’esperimento; la ricerca del gruppo ha prodotto unmetodo estremamente efficiente ed innovativo che permette di distinguere la provenienza dell’evento,tramite lo studio dei fattori di forma e le ampiezze associate al segnale prodotto. Il sistema consiste nelloschermare le facce superficiali dell’assorbitore con elementi sottili di Ge o Si ultrapuri, equipaggiati contermistori ed in contatto termico, a conduttanza nota, con detto assorbitore. A basse temperature, unevento proveniente dall’esterno del bolometro genera un segnale diverso, sia nelle caratteristichetemporali che in ampiezza, fra assorbitore e elementi di Ge o Si; ciò è dovuto alle due capacità termichedifferenti. Se l’evento è interno all’assorbitore, il segnale di entrambi avrà la stessa evoluzione temporalepoiché essa sarà determinata da quella dell’assorbitore.Il laboratorio è stato ultimato durante l’estensione temporale di questo lavoro di tesi. La criogenia èfornita da due criostati in grado di raggiungere temperature di base dell'ordine di pochi mK. La dotazionedel laboratorio comprende inoltre strutture adeguate alla costruzione di bolometri a ridotta

VII

contaminazione superficiale, elettronica di amplificazione e formatura dei segnali e di controllo di moltielementi del setup sperimentale. Il sistema di acquisizione dati, il cui sviluppo rappresenta la parte centrale di questo lavoro di tesi, hapermesso l’utilizzo dei bolometri costruiti. Essa è stata allestita ab initio diventando operativa con setterun completati e decine di test per un totale di più di due mesi di presa dati. La sua costruzione haattraversato diverse fasi:

− Scelta e caratterizzazione dello hardware− Progettazione di un codice software innovativo e di una interfaccia grafica, in grado di realizzare

al meglio le potenzialità dello hardware− Adattamento ed integrazione coi programmi esistenti di analisi off-line− Test del sistema− Utilizzo sperimentale

È importante sottolineare il fatto che la stesura del codice del programma è stata completamente eseguitain modo originale, senza ricalcare nessuna procedura tipica o standard nota. La stessa struttura del codiceè innovativa; essa è stata conformata alle necessità sperimentali riguardanti in modo particolarel’ottimizzazione della velocità in vista della riduzione del tempo morto, la robustezza, il controllo di piùstrumenti, la variabilità del setup e la modularità per successivi sviluppi software in grado di integrarenuovi strumenti hardware e di analisi numerica. Ciò ha prodotto una nuova metodologia ditemporizzazione dei processi software con un codice intrinsecamente stabile, modulare e di facileconversione a differenti situazioni sperimentali, nonché una interfaccia grafica completa e di gradevoleutilizzo.Il progetto del software di acquisizione è stato determinato infatti dalla ricerca di un’ottimizzazione dellohardware; quest’ultimo è di concezione fine anni ’80 con problematiche relative all’epoca. Queste sonoessenzialmente riassunte in una scarsa predisposizione ad un ambiente grafico user-friendly, allamodalità parallela di trasferimento dati e ad una alta velocità della stessa. Di conseguenza, le peculiaritàcui si è accennato riguardano il superamento dei limiti dello hardware. Tutto ciò che verrà elencato èstato effettuato, presumibilmente, per la prima volta su sistemi simili; le difficoltà legate allo sviluppodelle caratteristiche del software sotto riportate sono state notevoli. Comunque la loro risoluzione hapermesso ai sistemi di concezione antiquata a disposizione di divenire efficaci, flessibili ed affidabili persituazioni sperimentali limite e mutevoli, molte volte all’interno dello stesso run di acquisizione. Ilrisultato conseguito è stato un abbattimento dei costi di acquisto di nuovi apparati e uno sviluppo ditecnologie software assicuranti una notevole stabilità operativa, anche in situazioni critiche comel’interruzione di energia elettrica o di un riempimento totale della memoria di massa. La modularità dellastruttura di acquisizione ammette un’integrazione con moduli aggiuntivi e una riconversione totaledell’architettura a moduli di controllo e di campionamento del segnale differenti da quelli utilizzati inquesto setup.Queste sono dunque le caratteristiche cui si è accennato:

- Gestione asincrona dei download dai moduli di campionamento tramite interrupt;- Ottimizzazione delle librerie;- Disaccoppiamento della parte di visualizzazione grafica dalle procedure hardware-dipendenti;- Sequenziazione delle comunicazioni tramite un protocollo espressamente creato per un grande

insieme di moduli e crate (fino a 32 crate per 5 moduli ciascuno, per un totale di 640 canali);- Semplificazione delle procedure per ottenere un contenuto utilizzo del processore e riduzione

sistematica di picchi di attività dello stesso, evitando il collasso del sistema;- Interfaccia grafica generalizzata, adattata ad un grande numero di moduli di campionamento,

integrata con: Pretrattamento in linea dei dati; Programmi di utilità in linea e post-acquisizione;

- Gestione software della messa in linea o dell’esclusione dei crate, dei moduli e dei singoli canali,dinamicamente durante il corso del run;

- Implementazione di autotrigger e di modalità trigger separate modulo per modulo;

VIII

- Riconoscimento automatico del tipo e della posizione dei moduli sul crate con relativoadattamento dinamico delle funzioni di libreria.

Il sistema di acquisizione è stato usato essenzialmente in tre situazioni sperimentali differenti:- Presa dati da un rivelatore al Germanio convenzionale;- Presa dati da un bolometro installato in un criostato innovativo della ditta "Air Liquide"; - Presa dati da bolometri per la ricerca e sviluppo di CUORE installati nel criostato della ditta "Tres

Bas Temperatures" (TBT);La fase di test è stata utile per poter acquisire dati senza interruzione dal primo run. La struttura dei dati prodotti è interamente compatibile con i programmi di analisi dati utilizzata daigruppi partecipanti agli esperimenti CUORE-CUORICINO e MiBeta.La dissertazione relativa a questo lavoro di tesi, dopo un’introduzione al ββ(0ν) e agli esperimenti dimaggior interesse, contiene una dettagliata descrizione delle tecniche bolometriche e del tipico setupsperimentale di CUORE-Cuoricino. Dopo questo punto iniziale, saranno delineate le caratteristicheinnovative dei bolometri realizzati presso il suddetto laboratorio di Como. Quindi verrà illustrato ilsistema di acquisizione tramite un manuale d’uso intervallato da elementi di codice che evidenzierannole particolari procedure adottate. Infine, seguirà una parte relativa ai dati sperimentali ottenuti dalleprove effettuate, che mostrano come la sensibilità ad eventi superficiali dei bolometri realizzati siasoddisfacente e promettente per le applicazioni a CUORE.

IX

INTRODUZIONE al doppio decadimento beta Cronologia

I INTRODUZIONE al doppio decadimento beta

I.I Cronologia

1932 W.Pauli ipotizza l’esistenza di una particella neutra e leggera, potenzialmente senzamassa, per spiegare il continuo dello spettro del momento degli elettroni coinvolti indecadimenti beta. Essa verrà chiamata antineutrino elettronico.

1934 E. Fermi pubblica la prima teoria sul decadimento beta

’50 Sviluppi teorici sul decadimento beta, ipotesi di Lee e Yang sulla violazione di paritàdello stesso

1956 Md.Wu verifica per la prima volta la violazione di parità sul decadimento beta delnucleo 60Co con spin totale polarizzato magneticamente e criogenicamente.

1959 F.Reines e C.Cowan rivelano direttamente un antineutrino elettronico utilizzando unreattore nucleare

1962 L.Lederman, M.Schwartz, J.Steinberger e gruppo associato scoprono l’esistenza delneutrino muonico, verificando la differenza con quello elettronico.

’00 Rivelate oscillazioni di neutrini.

I.II Il modello standard e i neutrini

Il programma mondiale sullo studio della fisica del neutrino ha svelato molte proprietà di questaparticella nella decade passata. Si è stabilito il numero di specie di neutrini leggeri. Si è appuratoche i neutrini si mescolano fra loro e lo studio su questo fenomeno ha individuato dei valori pergli elementi di matrice di mixing: inoltre si sono valutate le differenze tra i quadrati delle massedi neutrino ed il numero di specie di neutrini leggeri. Le questioni al momento più interessantisono la scala di massa assoluta e se il neutrino è una particella di Majorana o Dirac. Gli uniciesperimenti, conducibili in laboratorio, che possano fornire queste risposte sono quelli relativiallo studio sul doppio decadimento beta senza emissione di neutrini. Per questo motivo, gliesperimenti sul doppio beta si stanno moltiplicando e in particolar modo quelli su uno specificocanale di decadimento beta, quello senza l’emissione dei due neutrini.

Tutti i fenomeni interessanti le particelle conosciute sono ben predetti, od almeno coerentementeimpostabili, dal modello standard delle particelle elementari e delle loro interazionifondamentali. Questo modello è un efficace struttura teorica confermata da predizioni e verifichesperimentali che ne hanno determinato il suo successo. Esso è sostanzialmente una teoria digauge la cui invarianza di gauge locale della Lagrangiana è sotto il gruppo di trasformazioni del

tipo:

SU 3 C×SU 2 L×U 1 Y

1


Siccome tutte le particelle fondamentali di materia sono assunte fermioniche esse, se libere, sonodescritte dalla lagrangiana libera di Dirac sul campo spinoriale ψ a 4 componenti:

Lo studio del neutrino si rivela di grande importanza per le correzioni a questo assunto e leindicazioni teoriche che potrebbe aggiungere alla struttura del modello standard, particolarmentedallo studio della sua massa essendo le masse fermioniche un problema fondamentale delmodello stesso.

Il modello standard, per la parte dei neutrini leggeri, è così strutturato:

1. Solo i neutrini sinistrorsi (e gli antineutrini destrorsi) interagiscono debolmente.2. I 3 neutrini sinistrorsi leggeri sono rappresentati da spinori di Weyl ψν, dove ν = e,µ,τ si

riferisce alle tre specie di neutrini (elettronico, muonico, tauonico). Di conseguenza, lemasse dei neutrini vengono assunte nulle

3. Gli antineutrini vengono classificati come particelle distinte dai neutrini stessi.4. I processi secondo cui è regolata l’interazione debole del neutrino sono descritti da correnti

cariche e neutre, conservanti separatamente le tre cariche leptoniche Lυ

In un approccio fenomenologico, neutrini ed antineutrini producono leptoni ed antileptonisecondo interazioni deboli di corrente carica con la materia:

ll X l Y X l Zυ υ+ ↔ + + ↔ +

Teoricamente esistono due possibili spiegazioni di questa classe di fenomeni

- Gli elementi della coppia (l,υ) differiscono da quella con antiparticelle per una caricachiamata numero leptonico:

L l , l =−1 L l , l =1

così è possibile spiegare le reazioni tramite la conservazione della carica e del numeroleptonico. Il campo associato è quello di Dirac, spinoriale a quattro componenti. Il neutrinoν è una particella differente dall’antineutrino.

- La seconda possibilità impone che i neutrini ed gli antineutrini siano la stessa particella macon differente elicità

H l =−1 H l =1

definendo così i neutrini di Majorana, in questo caso i neutrini sono rappresentati da spinoria due componenti fondamentali.

Se i neutrini non avessero massa, la differenza suddetta sarebbe ininfluente sulla fisica delneutrino, in quanto, indipendentemente dalla rappresentazione, l’elicità sarebbe fissata (con glistessi valori del caso Majorana) e il neutrino sarebbe differente dall’antineutrino. Nel casomassivo invece l’elicità dipenderebbe dal sistema di riferimento e di conseguenza la fisicaassociata sarebbe in relazione ad una di queste due nature.

Utilizzando la rappresentazione chirale delle matrici di Dirac:

[ ] iiii mi ψγψ µµ −∂=L

2


0= 0 −I−I 0 i= 0 i

− i 0 5= I 00 −I

si può ottenere un formalismo nel quale l’elicità fissata, misurata sperimentalmente, dei neutrinisia evidente nella struttura del campo spinoriale associato.Se u è soluzione dell’equazione diDirac in rappresentazione chirale, allora:

u=

− con ,−=spinore di Weyl

Nel limite di massa nulla ψ+(-) è autostato di tipo destro (sinistro) ψR(L) dell’operatore d’elicità econtemporaneamente autostato ad autovalore +1(-1) dell’operatore di chiralità; in presenza dimassa, esso perde lo status di autostato di elicità, consentendo così, ad una teoria che lo prevede,un accoppiamento fra stati Left e Right.

3


I.III Il doppio decadimento beta

Gli assiomi del modello standard per i neutrini sono critici in quanto assunzioni senza provesperimentali dirette; inoltre la rilevazione di oscillazione fra famiglie di neutrini indica la naturamassiva degli stessi.

I.III.I Accenni di teoria generale sul doppio beta Gli assiomi del modello standard per i neutrini sono critici in quanto assunzioni senza provesperimentali dirette; inoltre la rilevazione di oscillazione di sapore dei neutrini indica la naturamassiva degli stessi. Lo studio sul doppio decadimento beta potrebbe suggerire le modifiche daapportare ai suddetti punti, indicando che lo spinore regolante la teoria su neutrino non sia di tipoDirac ma di tipo Majorana ψm, il quale contiene la particolare proprietà di non distinguereparticella da antiparticella[23]:

mC= m con C=C t

La formulazione di Majorana allora rappresenta solo particelle neutre e, in rappresentazionechirale, il suo spinore ψm può essere costruito con un unico spinore di Weyl a componente:

=i 2 −¿ oppure −=−i 2

¿

Ciò comporta la modifica dell’espressione riguardante il termine di massa nella lagrangianalibera:

m =m L R R L nel caso Dirac

m =m L C Lt L

t C L nel caso Majorana

Di conseguenza, nel caso di Dirac il termine di massa del neutrino richiede necessariamente unaccoppiamento fra neutrini sinistrorsi e destrorsi (e da qua il postulato di massa nulla nel modellostandard).Diversamente si presenta il caso di Majorana, dove la condizione di uguaglianza fra particella edantiparticella, fa si che il termine di massa possa essere scritto con un unico elemento a chiralitàfissata, il che fa dello spinore di Majorana un ottimo candidato teorico per la descrizione delneutrino.La difficoltà maggiore sta nell’accettare filosoficamente che i campi fermionici, rappresentanti leparticelle fondamentali, abbiano caratteristiche differenti, che assiomaticamente il modellostandard non prevede. Questa difficoltà appare però ingiustificata, poiché alcune proprietàassociate alle dette particelle sono già riconosciute differenti (come il caso della carica elettricafra i leptoni).Il doppio decadimento beta ββ è un processo debole di secondo ordine caratterizzato da una vitamedia molto lunga: τββ∼1018÷1022 anni per il canale con emissione di due neutrini. Esso consistenell’emissione diretta di due elettroni da un nucleo (A,Z) decadente in uno ad esso isobaro(A,Z+2); esso può essere visibile quando il processo beta intermedio è proibito per ragionienergetiche oppure fortemente inibito da un grande cambiamento di spin-parità.Le figure a pagina successiva sono i grafici di decadimenti deboli relativi a nuclei con numero dimassa A dispari e pari, costruiti utilizzando la formula semiempirica di massa vincolata a nucleiisobari sotto decadimenti beta,.

4


Entrambi, sotto singolo decadimento beta, mantengono il numero di massa A, ma i nuclei paripassano dalla classe N-Z pari-pari a quella dispari-dispari (o viceversa), aventi associato un

termine di pairing δ non nullo, che modifica l’energia di legame e in ultima analisi, l’energiadisponibile per il processo.

Questo crea la disposizione su due parabole dei nuclei pari-pari e dei nuclei dispari-dispari,rendendo possibile individuare i nuclei che ammettono doppio beta, quando il singolodecadimento beta è proibito per mancanza di energia. Alcuni nuclei candidati al doppio beta,particolarmente promettenti per l’alta energia di transizione e per la relativa distanza da righe difondo radioattivo conosciute, sono: 48Ca, 76Ge, 96Zr, 82Se, 100Mo, 116Cd, 130Te, 136Xe, 150Nd.

In dipendenza se il processo conserva il numero leptonico o meno, si hanno due classi didecadimento ββ definite attraverso le presenza, nel processo di decadimento, dell’emissione didue antineutrini elettronici:

o la mancanza di questa:

Nucleo 48Ca 76Ge 82Se 100Mo 116Cd 130Te 136Xe 150Nd

Q-valore(MeV) 4.27 2.04 3.00 3.03 2.80 2.53 2.48 3.37

Energia

Figura I1 Decadimenti beta su nuclei pari e dispari

A , Z A , Z2 2 e−2 eββ(2ν)

Figura I-I.1 Doppio decadimento beta con emissione di neutrini

0 A , Z A , Z2 2e−

5


Come già affermato, il ββ(0ν) è inteso mediato da neutrini di Majorana leggeri; esso fornisce lavia più diretta alla verifica dell’esistenza della massa per gli stessi. In questa tipologia didecadimento, un primo neutrone emette un bosone W- che decade in un elettrone ed in unneutrino virtuale; quest’ultimo, presupposto uguale alla sua antiparticella, viene assorbitodall’altro W- come il suo coniugato a stessa elicità. Ciò implica che ci deve essere unaccoppiamento fra correnti sinistrorse e destrorse nella fenomenologia associata al neutrino laquale potrebbe implicare una massa non nulla per il neutrino.I due elettroni emessi condividono l’intera energia di transizione se si trascura il rinculo nuclare,comportando così la presenza di un picco nel relativo spettro somma delle energie di emissione;lo spazio delle fasi è relativamente più grande rispetto al ββ(2ν), facendo del ββ(0ν) unostrumento efficiente per la ricerca di una non conservazione del numero leptonico nelleinterazioni deboli.Queste differenze sono alla base della discriminazione sperimentale dei due tipi di decadimento:

- il ββ(2ν) è un decadimento a 5 corpi avente di conseguenza uno spettro somma continuocon un valore massimo attorno ad un terzo del Q-valore associato a processo,

- il ββ(0ν), invece, è un decadimento a tre corpi; trascurando correzioni dovute al rinculonucleare, i due elettroni avranno la stessa energia e di conseguenza lo spettro somma siapprossimerà ad una delta all’energia di transizione.

Il ββ(2ν) è stato rilevato in dieci nuclei[10][9][29], mentre ββ(0ν), associato al decadimentotramite neutrini di Majorana, è ciò che viene ancora cercato negli esperimenti in quanto il suorateo dipende dalla massa associata.In una descrizione completa, nel ββ(0ν) sono teoricamente possibili scambi o emissioni di altreparticelle medianti il processo come l’emissione, per rottura spontanea di simmetria, di unbosone libero di Goldstone χ, detto Majorone, determinando il ββ(0ν)χ:

La caratteristica associata a questo tipo di decadimento si identifica con il punto di massimodello spettro somma spostato verso più energie più alte rispetto quello relativo al decadimento adue neutrini.

( )χ ( ) ( ) −++→ e +χZAZA 22,,0νββ

Il picco è allargato poiché tiene conto della risoluzione dello strumento.

Figura I-I.2 Doppio decadimento beta senza emissione di neutrini

Figura I-I.3 Doppio decadimento beta con emissione di majorone

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La sequenza di esperimenti che verranno esaminati sarà relativa alla classe analizzante il ββ(0ν);

la proprietà che rende fenomenologicamente semplici questa classe di esperimenti è data dal fattoche la misura del rateo di decadimento è strettamente correlata alla massa del neutrino stesso.Il valore efficace della massa del neutrino nel decadimento, indicato successivamente come

mββ , viene valutato come proporzionale alla radice quadrata dell’elemento di matrice nucleare,

la cui determinazione, comunque, al giorno d’oggi è ancora incerta. Questa incertezza coinvolgeovviamente il valore d’aspettazione della massa e per questo motivo le ricerche tendono astudiare il ββ(0ν) su più candidati. Ciò viene eseguito anche per eliminare il problemasull’attribuzione dell’eventuale picco rilevato, essendo esso assegnabile di principio anche ad un,ignoto, decadimento dovuto a contaminazione radioattiva dell’apparato sperimentale.

Il ββ(0ν) è usualmente espresso tramite la relazione generale derivante dalla regola d’oro diFermi:

1 2 20 0 01 2T G M mν ν ν

ββ

− =

dove G0ν è l’integrale dello spazio delle fasi (stimato esattamente in funzione della tipologia diββ), M0ν è l’elemento di matrice associato ed il valore d’aspettazione della massa associata almix di neutrini è:

2 ( , , )k k ekk

m m k eUββ φ µ τ= =∑Il ββ(0ν), come affermato precedentemente, è possibile solo con neutrini di Majorana, i qualihanno associato il fattore φk (indicante il fattore di CP intrinseca); quest’ultimo, invece, sicancella totalmente su interazione fra due neutrini di Dirac.Nel corso degli anni passati si sono rivelate le oscillazioni di neutrini e la relativa deduzione chela massa del neutrino non sia nulla; ciò ha permesso di fissare le differenze fra i quadrati dellamasse dei vari neutrini ma non si è ancora riuscito a determinare il valore del neutrino piùleggero e nemmeno come gli stati di massa siano distribuiti fra i vari neutrini.

Figura I-I.4 Spettro dei tre decadimenti (sx) e confronto fra ββ(0ν) e ββ(2ν)

7


Inoltre, la formula (0.2) indica che i valori assoluti della gerarchia di massa potrebbero esseredeterminati utilizzando i valori della matrice di mixing ottenuti tramite esperimenti sulleoscillazioni ed il valore <mββ> identificato dagli esperimenti sul doppio beta senza neutrino.

La ricerca della massa e delle proprietà del neutrino tramite lo studio del ββ, fornisconoindicazioni su osservabili associate ai campi cosmologico e astrofisico. Il decadimento vieneanche utilizzato come verifica di modelli supersimmetrici, di quelli riguardanti i leptoquark e diquelli non rientranti nel modello standard.Se avvenissero decadimenti di neutrini destrogiri di Majorana, essi violerebbero il numeroleptonico. Nell'universo primordiale, questi decadimenti sarebbero fuori dall’equilibrio epotrebbero violare CP. Il numero leptonico netto potrebbe essere convertito in un numerobarionico netto attraverso le interazioni standard deboli. Così, questo processo di leptogenesi(Fukugita e Yanagida 1986) potrebbe spiegare l'asimmetria barionica dell'Universo. L'asimmetriabarionica potrebbe essere così espressa in termini della massa M1 del più leggero neutrinopesante, dell'asimmetria di CP nel decadimento di questi, della massa di neutrino efficace m% etramite la somma dei quadrati delle tre masse appartenenti ai neutrini leggeri.

8


I.III.II Approssimazioni per il calcolo dell’elemento di matrice

I metodi di valutazione approssimata del valore dell’elemento di matrice 20M ν sono diversi sia

nella teoria associata, sia nei valori di massa da questi uscenti. Qua sotto viene riportata unatabella per il 76Ge con gli ultimi valori pubblicati, identificando la metodologia di calcolo e

l’articolo contenente il risultato.Nell’ultimo periodo, il metodo più usato sembra essere, insieme a suoi derivati, il Quasi ParticleRandom Phase Approximation per il sistema neutrone-protone. A questo si affianca, simile macon correlazioni interne complementari, il modello a shell. La differenza sostanziale fra i duerisiede nel fatto che il QRPA vede una buona frazione dei nucleoni come elementi attivi nelprocesso, attribuendogli una parte consistente dello spazio delle fasi a singola particella. Ilmodello a shell è più restrittivo, sia nella frazione di nucleoni interagenti sia nello spazioassociato ad essi, ma lascia più libertà ai nucleoni di creare stati collettivi.

9


Entrambi metodi generano risultati similari, indicando che entrambi contemplano buona partedella fisica associata al processo.Il QRPA si evolve in più modelli in quanto, originariamente, non fu costruito per modellizzarel’accoppiamento di pairing neutrone-protone; i suoi discendenti sono:

- Second QRPA (SQRPA) dove gli stati della coppia n-p appartenente al nucleo intermediovengono sostituiti da stati detti di quasineutrone-quasiprotone, includendonell’approssimazione elementi di ordine superiore a quelli contenuti in QRPA;

- Renormalized QRPA (RQRPA) nella quale i commutatori della SQRPA vengono sostituitidai loro valori di aspettazione calcolati, in autoconsistenza, sugli stati fondamentali.

- Full RQRPA (FQRPA) dove si contano degli accoppiamenti ulteriori e sequenze di calcolodifferenti

- Self-Consistent RQRPA (SCQRPA), questa si appoggia alla RQRPA per ladeterminazione di valori chiave; il risultato è ottenuto attraverso delle iterazioni successivedi questi.

Il motivo dell’esistenza di questi modelli sta nel fatto che la QRPA originaria dava dei valori dimassa fortemente dipendenti dal pairing del sistema n-p; tuttora non si riesce a determinare qualedi questi metodi di calcolo sia effettivamente quello appropriato al problema.

I.III.III I parametri di oscillazione del neutrino Gli esperimenti di oscillazione hanno fornito alcuni vincoli sugli elementi di matrice di mixing ei valori delle differenze fra quadrati degli autostati di massa:

2 2 2ij j im m mδ = −

Dai dati sul neutrino atmosferico si ha che

( )2 2 1.0 3 223 0.72.0 10 90% . .atmm m eV C Lδ δ + −

−= = ⋅

con angolo di mix θatm ≡ θ23 ≈ 45 gradi.I risultati combinati di esperimenti sul neutrino solare con quelli di reattore [2] danno:

( )2 2 1.2 5 212 0.67.1 10 90% . .solm m eV C Lδ δ + −

−= = ⋅

con angolo di mix θsol ≡ θ12 = ( )2,42,332,5 68% . .C L+

− .

Dagli esperimenti di reattore, si ha il limite θ13 < 9 gradi [15]. Gli altri autori ottengono deirisultati modestamente diversi [6] per i parametri solare-reattore.

Tabella I-I.1 Valori di massa per il neutrino del ββ(0ν) calcolato con differenti elementi dimatrice (dati dimezzamento di HM)

10


Il segno di 2solmδ è conosciuto; il più leggero dei due autostati partecipanti significativamente

nelle oscillazioni solari, detto ν1, ha come componente maggiore νe (mentre nel il terzo autostato,ν3, è la componente di minoranza). Si conosce che ν1 è leggermente più leggero di ν2, ma non siè ancora determinato se ν3 sia più pesante o più leggero di questa coppia. Se ν3 fosse più pesante,la disposizione di masse verrebbe chiamata “gerarchia normale” (con due neutrini leggeri rispettoad un terzo significativamente più pesante); se esso, invece, fosse più leggero, la disposizione sidefinirebbe come “gerarchia inversa”. Se tutte le tre masse sono significativamente più grandi di

2atmmδ , lo schema viene detta “quasidegenere”, indipendentemente da quale sia l’autostato più

leggero.

La determinazione della gerarchia è strettamente legata alla determinazione di mββ secondo

formule del tipo:2 2 2 2 2

13 13maxsin cos sin

Nor

sol sol atmm m mββ δ θ θ δ θ≈ +

oppure2 2

13mincos 2 cos

Inv

atm solm mββ δ θ θ≈

dove con (Nor, Inv) si identifica la gerarchia e con (Max, Min) il limite a mββ .

Il parametro θsol ha un effetto estremamente critico. Se ha il valore appropriato, avviene una

cancellazione che porta a misure molto piccole di mββ . Comunque la cancellazione è possibile

soltanto su una gamma stretta di valori per la massa la più leggera, e la completa cancellazionenon è possibile nella condizione di gerarchia invertita.Come affermato, si conosce comunque che almeno un neutrino ha massa maggiore di

2 45atmm meVδ : che rende rassicurante l’esecuzione di ulteriori futuri esperimenti sul doppio

beta senza neutrino. In generale, il metodo con cui si affronta il problema della massa assolutadel neutrino è quello di combinare più fonti possibili, anche di origine cosmologica, per ridurre ilnumero di parametri liberi che individuano le tre masse associate agli stati di massa suddetti.

Parametrod’oscillazione

Range ParametroRange in massa

max

Normββ [meV]

Range in massa

min

Invmββ [meV]

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2solmδ 8,1 – 9,1 meV 2,3 – 2,6 N.A.

2atmmδ 36 – 55 meV 3,2 – 3,7 ( )13@ 9θ = 15,2 – 23,2

solθ 30,1 – 34,9 deg 2,1 – 2,7 meV 15,5 – 22,4

13θ 0 – 9 deg 2,4 – 3,5 meV 18,6 – 19,0

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I.IV Gli esperimenti

Nonostante le proprietà ben definite degli spettri caratterizzanti la tipologia di decadimento ββ,la rarità del processo porta ad una difficile discriminazione degli stessi; infatti, i tempi didimezzamento sono valutati secondo i seguenti ordini di grandezza:

- T½(ββ(0ν)) ≥ 1025 anni- T½(ββ(2ν)) ∈ [1019, 1024] anni

Per processi così rari, il problema sperimentale maggiore riguarda il disaccoppiamento efficacedel fondo radioattivo dalla parte di dati sperimentali utili alla determinazione delle osservabili;questi ultimi sono raccolti in numero esiguo, di conseguenza il rumore determina, in tutti gliesperimenti relativi al ββ, la sensitività sperimentale.

Le sorgenti principali di rumore sono:- catene di decadimento naturali degli elementi contenuti nell’apparato sperimentale- radioattività indotta da sorgenti cosmiche- radioattività umana nelle fasi di preparazione e manutenzione del setup sperimentale

Queste possono depositare energia nella regione del ββ, coprendo il picco relativo ad uneventuale doppio beta senza neutrino oppure generando picchi di radioattività sconosciuta,provocando false interpretazioni. Conseguentemente, la riduzione del fondo spurio vieneraggiunta ponendo l’apparato sperimentale in luoghi sotterranei, utilizzando le tecniche piùavanzate per evitare la contaminazione radioattiva del setup sperimentale in tutte le fasi della suarealizzazione e cercando di caratterizzare il fondo stesso, utile ad una successivo rigetto datisoftware in fase di analisi.Buona parte degli esperimenti a bassa radioattività vengono condotti in laboratori sotterranei,dove la roccia soprastante, emettente radioattività conosciuta e stabile, viene utilizzata daschermo per le radiazioni extraterrestri (cosmiche e solari). In queste condizioni, l’eventualesciame adronico ed elettronico verrebbe assorbito dalla roccia, rendendo possibile una pesanteschermatura alla radiazione d’ambiente del laboratorio1 ed una riduzione consistente dellaradiazione di fondo.

Il metodo di misura della massa del neutrino attraverso l’indagine di una deformazione dellospettro beta nella parte più energetica venne proposta da Fermi nella famosa teoria sudecadimento beta e da Perrin. I primi esperimenti con questo metodo vennero eseguiti dal 1948-1949; Mainz sfruttò un spettrometro elettrostatico integrale accoppiato ad un campo magneticoinomogeneo sugli elettroni emessi dal trizio decadente secondo la reazione:

3 H 3 Hee− e

Questa deformazione, nella parte più vicina all’end-point dello spettro, sarebbe avvenuta se lamassa dell’antineutrino prodotto fosse stata non nulla. Essi arrivarono alla conclusione che mν < 2.2eV.Un altro esperimento tecnicamente simile fu quello di Troistsk, conclusosi con lo stesso risultatosperimentale.

1 Altrimenti non possibile all’esterno poiché le particelle energetiche passanti la schermatura sciamerebberoall’interno di essa, aumentando così la radiazione ionizzante.

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Informazioni sulla massa del neutrino vengono anche da esperimenti di tipo cosmologico, comel’esperimento Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) riguardante lo studio sullaradiazione cosmica di fondo nell’intervallo delle microonde. Esso fornisce una notevole quantitàdi dati sullo spettro di potenza di temperatura e della sua polarizzazione in funzione dell’angolodai quali si estrapola, unitamente alle informazioni sulla distribuzione delle galassie, che:

∑i

mi0 . 71 eV

la quale si traduce, nell’ipotesi che le tre specie siano degeneri, in mi<0.23 eV. Purtroppo questistudi sono fortemente dipendenti dal modello utilizzato per effettuare i calcoli e di conseguenzanon possono essere messi allo stesso livello di affidabilità delle misure dirette.

Attualmente sono stati utilizzati tre metodi di indagine per il ββ:1. Ricerche indirette

- esperimenti geochimici, dove vengono cercate, su scale temporali geologiche, leanomalie isotopiche nei figli dei gas nobili presupposti decadenti come doppiobeta,

- esperimenti radiochimici[21], basati sull’individuazione e conteggio di nucleiradioattivi figli di emettitori doppio beta (A,Z+2); essi, nonostante la sensibilitàalta, non riescono a discriminare se il decadimento associato sia conservante omeno il numero leptonico.

2. Ricerche dirette- Esperimenti sull’individuazione dell’energia dei due elettroni beta emessi e sulla

conseguente forma spettrale. In alcuni casi si ha anche il tracciamento delleparticelle interagenti, misurando così la distribuzione angolare dei momenti e latopologia associata al processo.

Gli esperimenti rilevanti il processo direttamente si dividono in tre classi:- Sorgente differente dal rilevatore, con tracciamento (TPC, Camere a deriva, rivelatori

elettronici).- Rilevatore coincidente con la sorgente, detti calorimetri, senza tracciamento (Diodi al

Germanio, scintillatori, camere a ionizzazione, bolometri).- Calorimetro con tracciamento (l’unico è una TPC allo Xeno)

Nel primo vengono utilizzati sottili strati di materiale, attivo secondo processi doppio beta,inseriti in un rivelatore tracciante mentre nel secondo e terzo il rilevatore stesso è composto dimateriale contenente elementi doppio beta decadenti.

Le strategie seguite nella ricerca del doppio beta si differenziano a seconda della finalitàsperimentale:

− l’utilizzo dei rivelatori traccianti è interessante per processi ββ(2ν) e ββ(0ν)χ; essi hanno,come punto debole, l’efficienza di rivelazione e la risoluzione energetica.

− quella utilizzante calorimetri a Ge o tramite bolometri garantisce una buona risoluzioneenergetica e con efficienza di rilevazione tendente ad uno, diventando così il rivelatoreper eccellenza per la ricerca del ββ(0ν), dove la risoluzione diventa fondamentale per ladiscriminazione del picco associato all’emissione dei due elettroni. In relazione a questometodo di indagine bisogna notare che la mancanza di tracciamento purtroppo nonpermette il rigetto di eventi appartenenti al fondo; ciò viene sopperito tramite l’utilizzo,via software, di una discriminazione sulla forma dell’impulso accoppiata al processostandard di decadimentoββ. Infine, una modellizzazione Monte Carlo viene normalmente

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eseguita per modellizzare lo spettro di fondo radioattivo, il quale verrà sottratto in sede dianalisi.

Esclusi pochi casi, la ricerca fatta con cristalli (Ge, bolometri) è condotta a temperaturecriogeniche, dell’ordine dal K al mK, proprio per favorire l’abbattimento del fondo di rumoretermico e meccanico che distruggerebbe la risoluzione energetica. L’idea è abbastanza recente:l’utilizzo di rivelatori criogenici per la ricerca del ββ fu suggerita nel 1984 [11], accoppiata allaproduzione di bolometri [7][14] costituiti da cristalli dielettrici e diamagnetici, con conseguentecalore specifico proporzionale al cubo del rapporto fra la temperatura di lavoro e quella di Debyea regimi criogenici. A basse temperature, il calore specifico diventa piccolo in relazione alladebole energia termica prodotta dal decadimento, generando un misurabile aumento ditemperatura nel bolometro, usato per definire l’energia del processo.

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I.IV.I Esperimenti col 76 Ge Il 76Ge è il nucleo studiato più ampiamente, a partire dal lavoro pionieristico di Fiorini ecollaboratori nel 1967 [12]. Due principali esperimenti sulla ricerca ββ del 76Ge sono stati lacollaborazione IGEX a Canfranc (Spagna) e la collaborazione Heidelberg-Moscow, funzionantenei Laboratori Nazionali del Gran Sasso. Entrambi utilizzavano il 76Ge arricchito, in "set" dirivelatori.Lo schema di decadimento analizzato è:

Essi erano caratterizzati da: - Buona risoluzione ( E/E ~ 10-3 @ 2 MeV) e radiopurezza;- Schermi per radioattività ambientale attivi (rilevatori NaI) o passivi (strati di Cu e Pb

molto puri);- Cristalli di grandi dimensioni (∼ 2 kg) che permettono di avere una efficienza vicina al

100%, arricchiti nell'isotopo che decade.

IGEX – International Germanium Experiment

Il sistema è costituito da tre grandi rivelatori al Ge arricchito al 76Ge (> 86%) posti nellaboratorio sotterraneo a Canfranc, in Spagna. Questo venne ricavato da un tunnel ferroviariosotto i Pirenei spagnoli avente uno spessore di roccia variabile dai 700 metri ai 2450 metri. Irivelatori sono tre, pesanti 2 kg ciascuno (originariamente erano da circa 1 kg) ed ognunoraffreddato alla temperatura dell’azoto liquido da dewar portanti il cristallo stesso. Il setupcriogenico è unicamente con tecnologia a rame elettroformato e materiali a bassissimaradioattività. I dati vengono trattati con una sottrazione del fondo radioattivo molto precisatramite la tecnica di discriminazione attraverso la forma dell’impulso (Pulse ShapeDiscrimination - PSD). Tale analisi è in grado di distinguere tra interazioni a scattering multiplonel cristallo di Ge (eventi a sito multiplo MSE) e interazioni puntiformi (eventi a sito unicoSSE). Poiché il ββ appartiene alla seconda categoria, tale metodo permette di ridurre il fondodovuto ai fotoni che hanno subito scattering multiplo per effetto Compton. I tre grandi rivelatorisono collocati in tre cavità cilindriche all’interno di uno schermo interno di 2.5 ton di piomboantico di circa 2000 anni ( diviso in cubi da 60 cm), con un contenuto radioattivo di 210Pb(210Bi)minore di 0.01 Bq/kg. La scelta di introdurli in cavità strette è tale da minimizzare lo spazioattorno ad essi accessibile al radon. A tale scopo è pure forzato, nel rimanente spazio vuoto, delgas di azoto proveniente dall‘evaporazione dei dewar utilizzati per la criogenia. Lo schermo dipiombo è chiuso da lastre uno schermo di 20 cm di spessore di piombo a bassa radioattivitàsigillato con fogli di polietilene e di cadmio. Il tutto è circondato da un discriminatore per muonicosmici e da uno schermo per neutroni. I segnali vengono raccolti da dei transistor FET

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schermati da piombo a bassa radioattività (500 anni di invecchiamento) ai quali viene tolta laplastica protettiva, per minimizzare le correnti parassite. Lo stesso procedimento viene applicatoalle resistenze di carico alle quali viene sottratto l’involucro di vetro. I preamplificatori sonoaccoppiati singolarmente ad ogni cristallo e sono modificati per una discriminazione in temporeale della forma d’impulso caratteristico di fondo. Le risoluzioni energetiche (FWHM) deirivelatori grandi a 1333 keV sono 2.16, 2.47 e 2.13 keV. La risoluzione sullo spettro somma è di4 keV al Q valore di 2038 keV. Il limite, ottenuto con una statistica di 75 moli x anno, risulta

essere T1

2

0

> 1.6∗1025 anni per ββ(0ν) del 76Ge, corrispondente ad un limite per la massa

effettiva del neutrino di Majorana pari a mν < [0.6,1.4] eV [1]. Lo spettro somma delle energie

dei due elettroni nella regione del ββ è:Viene inoltre mostrato, nel grafico di destra, la differenza fra i dati elaborati con e senza ilmetodo PSD; la riduzione del fondo spurio è evidente. I dati sperimentali sono relativi al 2000. Ilsistema, nel suo setup originario, è stato riconvertito per la ricerca della materia oscura,diventando l’esperimento IGEX-DM.

Heidelberg-Moscow - HM

Questo esperimento utilizzava cinque rivelatori "p-type HPGe"[31], situati nei laboratorisotterranei del Gran Sasso. I cristalli di Ge sono stati cresciuti da 19.2 kg di materiale digermanio arricchendoli col 76Ge all'86%. La massa totale attiva dei rivelatori era di 10.96 kg,corrispondente a 125.5 moli di 76Ge. Quattro rivelatori erano collocati in uno schermo di 30 cmdi piombo in atmosfera priva di radon, circondato da 10 cm di polietilene caricato con boro esovrastato da due lastre di 1 cm di scintillatore. Il rimanente rivelatore era collocato in un box aparte con 27 cm di rame elettrolitico e 20 cm di schermo di piombo, flussato con azoto gassoso, econ 10 cm di polietilene caricato con boro sotto il box. I dati acquisiti dai primi tre rivelatori

β β (2 ν ) ββ(0ν)

17


arricchiti con una significatività statistica di 13.6 kg·anno forniscono un limite, per il tempo di

dimezzamento per ββ(0ν), pari a: 12

0 25(0+ 0+) > 1.3 10T ν → ⋅ anni (al 90% C.L.) [17].

Il limite corrispondente, per la massa effettiva del neutrino di Majorana, risulta:mν < [0.42,1.4]eV (90% C.L.).

Il risultato sul ββ(2ν) dà 12

2 21+0.19= 1.55±0.01(stat) (sist.) 10

-0.15T anniν ⋅

La collaborazione, per ridurre il ulteriormente il fondo, ha sviluppato un nuovo metodo di analisiche si basa sulla forma dell'impulso (PSA) [19], arrivando ad un fondo b=0.17 conteggi/(keV kg

anno). È cosi stato dato un limite 12

0 251.9 10T ν > ⋅ anni (90% C.L.) (anche se tale risultato è

maggiore della sensibilità dell'esperimento, data da 12

0 251.6 10F ν > ⋅ anni (90% C.L.) ).

I risultati sperimentali sono paragonabili, in buona sostanza, a quelli ottenuti da IGEX.

Prima dichiarazione ufficiale sulla massa del neutrinoNel 2002 fu pubblicato un articolo da parte di Klapdor-Kleingrothaus [18] nel quale si sostenevala rivelazione del ββ(0ν) tramite l’analisi dei risultati sperimentali dell’esperimento diHeidelberg-Moscow con delle metodologie differenti. La risposta della comunità scientifica fuuna rigetto totale e, conseguentemente, una fase dialettica che continua ancora oggi tramiteun’ultima pubblicazione [20] con una più recente analisi dei dati sperimentali.

Il grafico di destra riporta i risultati appartenenti a [2000, 2080] keV elaborati con l’ultima PSA,relativo all’articolo di Klapdor menzionato, mentre sulla sinistra è presente un confronto relativoalla bontà sull’utilizzo della PSA. I dati sono relativi a 71,7 kg-anno per un totale di 28,75±6,86

conteggi sul picco con uno scarto di 4σ; questa metodologia di analisi porta un 12

0 251.19 10T ν = ⋅

anni con relativa massa mββ =440meV. Nell'intervallo [2000, 2100] keV si identificano sette

picchi, quattro dei quali attribuiti a sorgenti conosciute, uno al ββ(0ν) e due non ancoraassegnati. L’incertezza derivante dal metodo di simulazione per la determinazione dellaposizione dei picchi porta ad una possibile sovrapposizione di righe di decadimento conosciutesul punto relativo al ββ(0ν). La non completa comprensione del fondo radioattivo rende lacomunità scientifica piuttosto scettica sul valore di questo risultato.Tradizionalmente, gli esperimenti sul ββ hanno ignorato delle incertezze sistematichenell’analisi dei dati sperimentali che, per umano contrappasso, divengono ora importanti per dare

Figura I-I.5 Differenze tra spettro con e senzatrattamento PSA, dati 2001

Figura I-I.6 Spettro su cui si basa la presuntascoperta di un doppio beta senzaneutrino

18


attendibilità alla scoperta di un ββ(0ν) in quanto i conteggi relativi al decadimento sono dellostesso ordine di grandezza delle fluttuazioni previste di fondo.

19


I.IV.II Esperimenti coi bolometri al TeO 2Questi esperimenti utilizzano bolometri ossia i cristalli termalizzanti l’energia cedutadall’evento; in particolare il rivelatore è anche sorgente di segnale: i cristalli sono al TeO2 e unisotopo di uno dei due elementi del composto, il 130Te, è un ottimo candidato al doppio betasenza emissione di neutrino. Inoltre esso fornisce una resistenza accettabile ai cicli ditemperatura, una buona resistenza meccanica ed un costo abbordabile, in funzione di esperimentia grandi masse.

MiBeta e Cuoricino

Esperimenti bolometrici come MiBeta, CUORICINO e l’evoluzione di quest’ultimo, CUORE,utilizzano cristalli dielettrici macroscopici (tipicamente 5x5x5 cm3); questi necessitano ditemperature nell’ordine della decina di mK con potenze raffreddanti relativamente alte, per poterrendere efficace la lettura dei piccoli incrementi di temperatura, correlabili all’energia depostadagli eventi interessanti il bolometro stesso. La criogenia applicata agli esperimenti descritti nelparagrafo precedente, si esauriva nel portare i rivelatori a cristallo a temperature criogenichetramite un semplice contatto termico fra il rivelatore ed un dewar contenente il liquido criogenico( tipicamente azoto). Quest’ultimo faceva banalmente da bagno termico al quale il cristallotrasferiva il calore prodotto. Negli esperimenti bolometrici l’apparato utilizzato per raggiungeretemperature dell’ordine delle decine di mK è il refrigeratore a diluizione, detto impropriamentecriostato a diluizione, o più semplicemente "criostato". Una volta raffreddati, la catena di letturapermette di discriminare i segnali di temperatura provenienti da termometri, tipicamente chip sisemiconduttore drogato opportunamente, posti sui rivelatori stessi. L’analisi, per la creazionedegli spettri di energia nella zona del presunto ββ(0ν), avviene su tutta l’estensione temporaledell’impulso con la quale vengono estratti un numero consistente di parametri ad esso associati.Questi parametri vengono poi messi in correlazioni particolari utili al rigetto ed alla formaturasoftware dei dati, in modo da estrarre il massimo numero possibile di informazioni sugli eventiaccaduti e di permettere una calibrazione delle misure utile alla riduzione del rumore e del fondoradioattivo, incrementando la sensibilità e la risoluzione sperimentale.Si rimanda al capitolo 2, il quale ha sezioni distinte sulle varie parti del setup sperimentale,tecnologicamente più complesso degli esperimenti al Ge precedentemente discussi.

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I.IV.III Esperimenti con tracciamento

Gottardo 136Xe

La collaborazione Caltech-Neuchatel-PSI [22] utilizza una camera a deriva temporale (TimeProjection Chamber, TPC) per lo studio del ββ dello 136Xe. L'esperimento è realizzato nel tunneldel Gottardo, sotto le Alpi svizzere; la roccia fornisce una protezione dai cosmici pari a 3000 dispessore.La TPC è costituita da un cilindro di rame OFHC dello spessore di 5 cm. Il volume attivo è 180litri, riempito di Xeno arricchito al 62.5% in 136Xe con aggiunta di metano come quencher(3.6%),per aumentare la velocità di deriva e diminuire la diffusione di elettroni secondari. La miscela digas viene continuamente filtrata, al fine di mantenere i contaminanti elettronegativi ad un livellominore di 0.1 ppm, che assicura una attenuazione degli elettroni che derivano verso l'anodominore di 2%.La pressione di esercizio è 5 atm, a cui corrispondono 24,2 moli di 136Xe, ossia una massa attivadi circa 3,3 kg.Il catodo viene mantenuto ad una tensione di 68 kV e genera un campo statico di circa 970 V /cm, la velocità di deriva degli elettroni è 1,3 cm/µsec. La figura sottostante denominata a) è larappresentazione del setup sperimentale, mentre la b) rappresenta un tipico evento a due elettroniricostruito sui tre piani. Le scale sono in centimetri.

L'efficienza simulata di contenimento per un evento /ββ(0ν) è circa il 30%. Il piano anodicocontiene i fili di tungsteno dorato da 25µm diametro, separati da fili a massa (tungsteno, 100µmdiametro); la distanza tra fili è 5 mm. I fili della griglia (tungsteno, 100µm diametro) sonomontati in maniera analoga, perpendicolarmente ai fili anodici; la distanza tra i 2 piani di fili è8.5 mm.Dietro il piano anodico, ad una distanza di 3 cm, è posizionato un piano per la ricostruzione dellacoordinata XY; esso è costituito da un sottile foglio in PET dello spessore di 125 µm ricoperto daentrambi i lati da strisce di rame; la distanza tra le strisce (poste a 45 rispetto ai fili anodici) è 3.5mm; le strisce X ed Y sono 168 e sono lette in maniera indipendente.L'energia di un evento è misurata integrando il segnale anodico; la risoluzione nella regione ditransizione a zero neutrini (2479 keV) è circa 7%.

21


Nella TPC, gli elettroni prodotti da una ionizzazione primaria (e di eventi ββ) derivano nelcampo elettrico costante verso il piano anodico dove avviene la moltiplicazione. I segnalielettrici indotti sul piano XY danno la coordinata dell'evento. L'informazione sulla coordinata Z èdata dalla evoluzione temporale del segnale. Un vantaggio rilevante dell'utilizzo di una TPC èl'alta reiezione del fondo: un evento a 2 elettroni, infatti, è caratterizzato da 2 tracce che partonoda un medesimo punto e che terminano a "goccia"; tale goccia è dovuta al fatto che a bassaenergia aumenta sia la perdita per ionizzazione, sia la diffusione multipla a larghi angoli.Nella figura soprastante sono mostrati due spettri di fondo ottenuti in 2 differenti run; il primo(vecchio) corrisponde ad un tempo di misura pari a 6830 ore; il secondo (nuovo) ha una duratatotale di 6013 ore; il fondo minore ottenuto nel nuovo run è dovuto alla eliminazione dellesaldature con cui i fili erano collegati alla struttura, volendo indicare così la delicatezza

dell’esperimento.Combinando i dati delle due misure di fondo, la collaborazione ha posto i seguenti limiti:

12

0 234,4 10T ν > ⋅ anni (C.L. 90%) e

12

2 203,6 10T ν > ⋅ anni (C.L. 90%).

Il limite corrispondente sulla massa effettiva del neutrino di Majorana è 1,8 5, 2mββ < − eV in

dipendenza degli elementi di matrice utilizzati.

Nemo 2-3

L’apparato di NEMO-2 era un rivelatore tracciante operante fino al 1997 al ModaneUnderground Laboratory nel tunnel del Frejus, posto sotto a 4800 metri di roccia. Esso eracomposto da celle Geiger aperte riempite con una miscela di elio (96%) e alcool etilico (4%) asezioni ottagonali incrociate, definite da fili di nichel da 100 µm. La sorgente ββ era posta nelpiano verticale centrale e divisa in due valve da 150 grammi ciascuna, una compostadall’elemento in abbondanza naturale e l’altra arricchita, cosicché, per confronto, si potesserilevare e sottrarre il fondo radioattivo.Da ogni lato della sorgente vi erano 10 piani di 32 celleGeiger ciascuno.Un calorimetro esterno costituito da uno scintillatore plastico ricoprente tutto ilvolume sperimentale veniva utilizzato per rilevare le energie di decadimento e le traiettorietramite il tempo di volo. La sua configurazione consisteva di 2 piani di 64 scintillatori (12 cm x12 cm x 2.25 cm3) letti con fotomoltiplicatori. La camera tracciante e gli scintillatori eranocircondati da schermi di piombo (5 cm) e ferro (20 cm).

22


L’identificazione del ββ avveniva tramite la coincidenza di rivelazione di due tracce elettronichea vertice comune (con cos 0,6α < ) nella sorgente più due segnali sugli scintillatori condeposizione di energia E > 200keV ciascuno).L’evento a due elettroni veniva selezionato, come già affermato, tramite l’analisi a tempo di volonel range di energia del ββ con tempo di risoluzione di 25 ps per elettroni da 1 MeV (550 ps a0.2 MeV). L’esperimento misurò decadimenti ββ(2ν) di 100Mo, 116Cd, 82Se e 96Zr con un’efficienza ε2ν ∼ 2%e una risoluzione energetica Γ(1 MeV) = 18%.

Dal 2000, la struttura è evoluta in NEMO-3, in grado di studiare il ββ(0ν) del l00Mo e di altrinuclei con vite di dimezzamento superiori ai 1025 anni, corrispondenti a masse del neutrino di0.1-0.3 eV. Il setup sperimentale è, almeno macroscopicamente, invariato rispetto a NEMO-2,utilizzando una sorgente da 7 kg di 100Mo e da 2kg di 82Se.NEMO-3 è partito nel febbraio 2003 e sta ottenendo eccellenti risultati nello studio del ββ(2ν),in particolar modo quello relativo al decadimento del 100Mo dove, nell’anno, raccolse circa 105

eventi, praticamente esenti da fondo in virtù dello ottimo riconoscimento delle tracce. Per ridurreulteriormente il fondo radioattivo è stato installato una trappola per il Radon.

I risultati sono promettenti, lo spettro ottenuto è molto dettagliato tale da rendere forse possibilela discriminazione di eventi a singola transizione intermedia rispetto a quella multipla, definendocosì il metodo di decadimento primario del ββ(2ν).Sono state anticipate alcune sensibilità:

( )12

0 100 245 10antT Moν ≈ ⋅ anni

1) Sorgente

2 ) Tracciatore

3) Calorimetro

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I.IV.IV Riassunto sulle misure di massa

Qua sotto viene riportata una tabella riassuntiva delle pubblicazione sulle misure di mββ :

IsotopoEsposizione(kmole-y)

Fondo(counts)

Tempo didimezzamento(y)

Massa neutrino(meV)

48Ca 5 × 10-5 0 > 1.4 × 1022 < 7200 - 44700a

76Ge 0.467 21 > 1.9 × 1025 < 350b

76Ge 0.117 3.5 > 1.6 × 1025 < 330 - 1350c

76Ge 0.943 61 = 1.2 × 1025 = 440d

82Se 7 × 10-5 0 > 2.7 × 1022 < 5000e

100Mo 5 × 10-44 > 5.5 × 1022 < 2100f

116Cd 1 × 10-3 14 > 1.7 × 1023 < 1700g

128Te Geochim. NA > 7.7 × 1024 < 1100 - 1500h

130Te 0.025 5 > 5.5 × 1023 < 370 - 1900i

136Xe 7 × 10-3 16 > 4.4 × 1023 < 1800 - 5200j

150Nd 6 × 10-5 0 > 1.2 × 1021 < 3000k

aOgawa et al 2004; bKlapdor-Kleingrothaus et al 2001; cAalseth et al 2002; dKlapdor-Kleingrothaus et al 2004; eElliott et al 1992; fEjiri et al 2001; gDanevich et al 2003;hBernatowicz et al 1993; iArnaboldi et al 2004; j Luescher et al 1998; kDe Silva et al

1997

I dati migliori, si nota, vengono dagli esperimenti col Ge arricchito il quale fissa il 12

0 252 10T ν ⋅:

anni che si traduce in un 400m meVββ : con un’incertezza di un fattore 3 derivante da quella

sull’elemento di matrice. L’analisi di Zdesenko [32], unendo i dati di IGEX e HM, trova un

limite 12

0 252,5 10T ν > ⋅ anni.

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I.IV.V Il futuro degli esperimenti sul ββ (0 ν ) Essendo la ricerca della massa del neutrino un campo di frontiera della fisica, proposte suesperimenti continuano ad avvicendarsi nell'analisi degli organi finanziatori della comunitàscientifica e nuovi esperimenti continuano ad essere messi in opera.

Collaborazione Isotopo[kmol]

FondoPrevisto

(conteggi/y)

DescrizioneRivelatoreProposto

CAMEOa 116Cd (2) CdWO4 cristalli in scint. liq.CANDLESb 48Ca (0.04) CaF2 cristalli in scint. liq.

COBRAc CdTe semiconduttoriCUOREd 130Te (1.4) ˜ 60/y TeO2 bolometriDCBAe 82Se (2) ˜ 40/y Nd strati in camere a tracciamentoEXOf 136Xe (4.2) < 1/y Xe TPCGEMg 76Ge (11) ˜ 0.8/y Ge rivelatori in LN

GENIUSh 76Ge (8.8) ˜ 0.6/y Ge rivelatori in LNGSOi 160Gd (1.7) Gd2SiO5 cristalli in scint. liq.

Majoranaj 76Ge (3.5) ˜ 1/y Rivelatori Frazionati a GeMOONk 100Mo (2.5) ˜ 8/y Strati di Mo and scint.plastici

MPI bare Gel 76Ge (8.8) Rivelatori Ge in LNnano-cristallim ˜ 100 kmol Nanoparticelle in sospensionesuper-NEMOn 82Se (0.6) ˜ 1/y strati a tracciamento

XMASSp 136Xe (6.1) Xe liquido

aBellini et al 2001; bKishimoto et al 2004; cZuber 2001; dArnaboldi et al 2004a; eIshihara 2000;fDanilov et al 2000; gZdesenko et al 2001; hKlapdor-Kleingrothaus et al 2001;

iDanevich et al 2001, Wang et al 2000; jGaitskell et al 2003; kEjiri et al 2000; lAbtet al 2004; mMcDonald 2004; nSarazin et al 2000; oCaccianiga and Giammarchi 2001;

pMoriyama et al 2001

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CANDLES - CAlcium fluoride for studies of Neutrino and Dark matters by LowEnergy Spectrometer

La collaborazione CANDLES [30]è quella che ha pubblicato recentemente il miglior limitesuperiore alla massa del neutrino del decadimento ββ(0ν) sul 46Ca, stimato come

( )12

0 48 231, 4 10 anniT Caν ≥ ⋅ , usando il rivelatore ELEGANTS VI. La scelta della sorgente di Ca

risiede nel fatto che essa è quella a Q-valore più elevato e maggiormente discriminabile dal

fondo previsto. L’esperimento consiste in circa 6,7 kg di cristalli di CaF2(Eu), circondati da cristalli di CsI,avvolti in uno strato di Cd, uno di Pb, uno di Cu ed uno esterno di paraffina caricata a LiH; iltutto è sigillato tramite una cassa a tenuta di vuoto. Quest’ultima è contornato da serbatoi diacqua borata; l’apparato è situato ai laboratori sotterranei Oto Cosmo Observatory e fu ilprogetto dimostrativo per la fattibilità operativa del progetto CANDLES-III.Questo è stato messo in opera; consisterà di 60 cristalli da 10 cm3 di CaF2 (otticamente piùtrasmissivi di quelli a CaF2(Eu) ) per una massa totale di 200 kg ed immersi in uno scintillatoreliquido. La collaborazione prevede una sensitività dell’ordine di 500 meV. Essa propose ancheun successivo salto CANDLES-IV a massa totale di 3,2 tonnellate, supposto efficace perraggiungere una sensibilità di 150 meV. Esiste un opzione, CANDLES-IV(enr) sempre a massasperimentale di 3,2 tonnellate ma con cristalli arricchiti e nuovo rivelatore, promettente unasensitività di 30 meV.l’installazione è al WIPP a Carlsbad, USA.

Majorana

La collaborazione propone 500 kg di Ge arricchito, diviso in cristalli macroscopici e con latecnica di discriminazione d’impulso tramite fattori di forma e rigetto dati on-line, abbattendo,come già provato dall’esperimento Heidelberg-Moscow, il fondo cosmico e γ. La sensitivitàprevista è 4·1027 anni, corrispondente ad una massa del neutrino di Majorana compresa fra i 20 edi 70 meV. La collaborazione sta approntando un esperimento iniziale, chiamato MEGA, consistente in unatorre a cristalli di Ge, al WIPP. L’esperimento è propedeutico per raffinare le tecniche diraffreddamento di grandi masse con un unico criostato e per lo sviluppo di tecniche software perla ricerca di coincidenze a più bolometri, oltre che il perfezionamento del rigetto dati.

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COBRA

L’esperimento COBRA usa cristalli semiconduttori allo CdZnTe che CdTe operanti atemperatura ambiente e contenenti sette emettitori di decadimenti ββ e β+β+. La configurazionefinale e di 64000 cristalli da 1 cm3 ciascuno per una massa totale di 370 kg. La risoluzioneottenuta adesso è attorno ai 30 keV a 2,6MeV. L’alta energia di transizione del 116Cd creanotevole fondo, in risposta al quale sono in evoluzione procedure di rigetto dati. È in progettol’arricchimento ulteriore dei cristalli per riuscire a discriminare una massa <mββ> di 45meV.

MOON

Questa proposta sperimentale intende usare una tonnellatadi 100Mo, arricchito al 85%. L’isotopo, oltre che essere unottimo indiziato per ββ(0ν), ha anche una sezione d’urtogrande per i neutrini solari molli; le finalità sperimentalisono entrambe. MOON misurerà individualmente leemissioni β da decadimenti ββ, migliorando il rigetto deidati spuri. Il setup sperimentale consiste in fogli di Mosovrapposti a scintillatori a fibre e piatti, tutto a densità di20 mg/cm2. si avrà così una buona risoluzione spaziale datadalle misure temporali dei prodotti di diseccitazionegenerati dalle interazioni col neutrino solare, identificati dagli scintillatori a fibre. La risoluzioneenergetica sarà affidata ai piatti scintillanti e viene valutata nella misura del 2,2% a 3MeV, conlimite inferiore di rilevazione di massa minore di 30 meV. Attualmente è stato prodotto unprototipo da un kg.

EXO

Il progetto intende utilizzare da 1 a 10 tonnellate di Xe liquido arricchito all’80% come camera aproiezione temporale (TPC); in parallelo, la collaborazione sta sviluppando un’altra TPC a gas

ad alta pressione.La TPC avrà fra le sue caratteristiche principali, oltre alla misura degli elettroni di decadimento,una procedura di osservazione ed estrazione del Ba, figlio di decadimento, dalla camera allo Xe,utile ad una riduzione drastica del fondo. Dai test preliminari, la sensitività prevista è valutata inun tempo di dimezzamento pari a 8·1026 anni su 1 tonnellata di massa rilevante, mentre per 10 ton

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questo sale ad 1,3·1028 anni. Il limite sulla massa, in quest’ultimo caso è compreso in 13-40 meVper una presa dati lunga 10 anni.La risoluzione, misurata nello Xe da progetti preliminari, è dell’ordine del 3% a 570 keV,propagabile statisticamente a 37 keV all’energia di 2480 keV. Il progetto partirà inizialmente conuna massa di 200 kg di Xe arricchito, senza trappola per gli ioni di Ba, nel sito Waste IsolationPilot Plant (WIPP) a Carlsbad, USA.

GENIUS/GERDA

Il gruppo di GENIUS avanza l’ipotesi si costruire rivelatori al Ge con massa totale di unatonnellata di cristalli di Ge arricchiti, posti in azoto liquido, togliendo così di mezzo struttureportanti radioattiva mente dannose, abbassando così ulteriormente il fondo. Un gruppo separato,operante su GERDA, ma di istanza comunque ad Heidelberg, propone una idea simile, sia inazoto liquido che in argon liquido utilizzando i cristalli di IGEX e di Heidelberg-Moscow. Apassi successivi, si vorrà arrivare a masse dell’ordine della tonnellata. Questo gruppo collaboracon quello di Majorana per lo sviluppo della tecnologia relativa a esperimenti col 76Ge, di unatonnellata di massa totale.

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II La tecnica bolometrica per il doppio decadimento beta senza emissione dineutrini

In questo capitolo verranno esposte le caratteristiche fondamentali degli esperimenti bolometriciapplicati a doppio decadimento beta senza emissione di neutrini, studiando i costituenti tipici disetup dei principali esperimenti bolometrici nei quali esiste una collaborazione attiva del gruppodi Criogenia dell’Università degli studi dell’Insubria. A questo gruppo è stato assegnato ilcompito di ricerca e sviluppo di bolometri e di tecniche bolometriche innovative, trattate neicapitoli successivi, per uno dei più promettenti esperimenti sulla massa del neutrino: CUORE.

II.I Esperimenti coi bolometri al TeO2

Per affrontare, più in specifico, gli esperimenti utilizzanti i bolometri, si introdurranno sezionidistinte sulle varie parti del setup sperimentale, tecnologicamente più complesso degliesperimenti al Ge precedentemente discussi, come già accennato nel capitolo precedente. Lacriogenia applicata a questi ultimi si esauriva nel portare i rivelatori a cristallo a temperaturecriogeniche tramite un semplice contatto termico fra il rivelatore ed un dewar contenente illiquido criogenico (azoto). Quest’ultimo faceva banalmente da bagno termico al quale il cristallotrasferiva il calore prodotto. Gli esperimenti come MiBeta, CUORICINO e l’evoluzione diquest’ultimo, CUORE, necessitano di temperature nell’ordine della decina di mK con potenzeraffreddanti relativamente alte. L’apparato utilizzato per raggiungere questi obiettivi è il criostatoa diluizione, detto impropriamente refrigeratore a diluizione.Il refrigeratore a diluizione è una macchina a scambio termico generato dalla variazione dientropia fra gli elementi di una miscela 3He/4He utilizzata come conduttore termico fra il punto di“espansione” di 3He in 4He, detto Mixing Chamber, ed il punto di “compressione”, detto Still.Al livello della mixing chamber viene raggiunta la temperatura minima, detta temperatura dibase; a questa viene ancorata la struttura termicamente conduttrice (di solito in rame)determinante il volume sperimentale. In quest’ultimo vengono posti i bolometri, vincolati tramitesupporti a conduttanze termiche conosciute, funzionanti da formatori per il segnale termico.La rilevazione del segnale avviene attraverso dei trasduttori termo-elettrici consistenti in cristallidi materiale semiconduttore operante in regimi particolari di eccitazione termica degli elettroni;lo stesso segnale viene trasportato da fili con conducibilità termica calibrata in funzione dellacapacità termica dell’intero rilevatore, termalizzati sui vari stadi del criostato, in modo da nontrasferire calore al rilevatore stesso.La costruzione del setup sperimentale avviene con materiali a bassissima contaminazione,coinvolgendo anche le parti strutturali del criostato vicino al volume sperimentale. PerCUORICINO e MiBeta sono stati utilizzati materiali con contaminazione inferiore a 100mBq/Kg per i materiali usati in quantità minori di un Kg, mentre per quelli usati in più largacopia, la contaminazione limite è ristretta a 10 mBq/Kg.La catena di lettura dati può consistere in un elettronica fredda seguita da una a temperaturaambiente. Come per gli esperimenti citati, la reiezione del rumore elettronico e termico è diprimaria importanza, data la bassissima statistica disponibile.Ora si analizzeranno più approfonditamente i costituenti del setup tipico bolometrico.

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II.I.I I criostati a diluizione Il refrigeratore a diluizione 3He/4He arriva a temperature di base dell’ordine dei mK, sfruttandoun fenomeno rigenerativo dello scambio entropico fra gli elementi della miscela suddetta.Corrispondentemente ad una temperatura di 870 mK la miscela è in forma monofasica(identificata nella figura sottostante dal punto triplo), in cui la concentrazione di 3He non èsottoposta a particolari vincoli termodinamici.

Sotto questa temperatura, detta Tλ, coesistono due fasi nella miscela, una più diluita ed una piùconcentrata in 3He, vincolate in temperatura dalla relazione rappresentata graficamente dallacurva di coesistenza. Le due fasi hanno differente entalpia; come conseguenza il trasferimento di3He dalla fase concentrata(ad entalpia minore) alla fase diluita (entalpia maggiore) generarefrigerazione. Il "calore di mixing" è infatti dato da [27]:

( ) ( ) ( )3d cQ n He H T H T= − & &

che per T <T F (Temperatura di Fermi, ossia temperatura sotto la quale il liquido può esseretrattato come un gas di Fermi) diventa:

[ ]2384Q n T W& &:

Questo avviene, per la miscela 3He/4He diluita, a temperature inferiori a 40mK con una

concentrazione pari al 6.5%; ( )3n He& è il flusso molare di circolazione di 3He della miscela e Hc

(d)(T) è l’entalpia della fase concentrata(diluita) alla temperatura T. Per basse temperature lapotenza criogenica è proporzionale al quadrato della temperatura ed al flusso di 3He, tipicamentecompresa fra poche decine e centinaia di µW a T=100 mK per i criostati dei due esperimenti.Il punto più freddo del criostato è la Mixing Chamber(MC), dove, ad una temperatura dell’ordinedei mK, coesistono le due fasi separate della miscela 3He\4He: quella concentrata in 3He(corrispondente al punto C) si trova nella parte superiore (essendo la più leggera) mentre quelladiluita (corrispondente al punto A) è nella parte inferiore. La zona della fase diluita della MC èconnessa tramite un tubo al "distillatore" (Still), tenuto attraverso dei riscaldatori (Heaters) aduna temperatura di circa 700 mK (la miscela si trova quindi nel punto B della curva dicoesistenza ). A questa temperatura la tensione di vapore di 3He è circa 1000 volte superiore aquella di 4He e quindi dalla miscela diluita nello Still evapora 3He praticamente puro. In questecondizioni il sistema è in equilibrio, perchè la pressione osmotica nella MC e nello Still sono

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uguali. Per generare il ciclo termico, dallo Still viene pompato via il gas di 3He inducendo cosìuna differenza tra le due pressioni osmotiche, provocando un flusso maggiore di 3He dalla fasediluita della MC verso lo Still, creando finalmente un flusso molare netto fra le due fasi.Infatti, la concentrazione di 3He diluito della MC viene mantenuta costante da atomi di elio checontinuano ad attraversare la linea di separazione di fase da concentrata a diluita nella MC stessa,producendo così raffreddamento a causa del calore di mixing.Lo 3He in uscita dallo Still, viene pompato verso il canale di condensazione, dove il gas iningresso subisce, in sequenza temporale ed in contatto termico conduttivo tramite radiatori,questi processi:

1. un preraffreddamento nel "Bagno Principale" (Main Bath), contenente elio liquido ad unatemperatura di 4.2 K,

2. una prima condensazione in una camera (lKPot) riempita di 4He mantenuto sotto vuoto(così raffreddato a 1.2 K per riduzione della pressione di vapore),

3. un secondo processo di condensazione dinamica, cioè viene fatto passare attraverso unaimpedenza di flusso principale grazie alla quale si stabilisce un differenziale di pressionesufficiente (da 30 a 200 mb) tale che lo 3He si condensi totalmente,

4. un successivo raffreddamento fluendo attraverso uno scambiatore di calore che è incontatto termico con lo Still ad una temperatura di 700 mK,

5. un processo di ricondensazione dinamica ancora tramite impedenza di flusso, perprevenire una evaporazione all’uscita dello Still,

6. una termalizzazione verso la temperatura della MC, facendolo fluire attraverso una seriedi scambiatori di calore con il flusso freddo risalente, prima che entri nella faseconcentrata della MC.

A questo livello il ciclo si chiude e ne risulta un lavoro complessivo (e quindi un PotereRefrigerante) pari all'area racchiusa nella curva A-B-C.Il processo è descritto in condizioni di prossimità della temperatura di base, ma a criostato caldole procedure di primo raffreddamento iniziale, cioè quelle che preparano il criostato allacircolazione descritta sopra, sono complicate tanto quanto delicate.Si parte con la miscela in fase gassosa con la MC completamente vuota e la finalità primaria èquella di condensare la miscela stessa fino al completo riempimento della linea MC-Still.Questo viene raggiunto tramite l’azione delle parti fredde(MB, 1Kpot) direttamente sullamiscela, del contatto termico tramite gas di scambio fra queste, delle parti di circolazione daraffreddare e della circolazione sulle impedenze di flusso; successivamente alla condensazionedella miscela, inizia la circolazione esposta, dove il processo di raffreddamento del gas iningresso alla MC tramite il contatto termico con quello in uscita genera, sotto opportunecondizioni, un processo rigenerativo, limitato solo dal bilancio di potenze generate da eventivibrazionali con quelle dissipabili dalla macchina.Le cavità nelle quali scorre la miscela sono mantenute in stretto disaccoppiamento termico con latemperatura ambiente. Le tecniche di isolamento utilizzano un frazionamento del criostato in piùzone poste sottovuoto e disaccoppiate termicamente, riducendo così il contatto termicoconduttivo e convettivo. Queste zone vengono ulteriormente schermate da multistrati riflettenti laradiazione di corpo nero emessa dallo schermo immediatamente più esterno.

II.I.II Volumi sperimentali Alla MC viene ancorata una piastra termicamente conduttrice molte volte integrante l’attacco,detto dito freddo, alla quale si attacca la struttura contenente i rivelatori e le sorgenti, dettaholder. Le sorgenti di rumore maggioritarie, associate a questo elemento di setup, risultanoessere le vibrazioni meccaniche. Queste vengono ridotte da opportune sospensioni tramite molle

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e montaggi a leva elastica, in quanto sospensioni tramite elementi elastomerici tendono adegradarsi in pochi cicli di raffreddamento-riscaldamento.La proprietà più importante da associare a queste strutture è quella di alta conducibilità termica,in modo da dare un contatto a bassa impedenza termica fra le apparecchiature sperimentalimontate e il bagno termico costituito dalla MC, rendendo così trascurabile, al livello di formaturatermica del segnale, l’holder. Altre caratteristiche importanti sono la leggerezza, la modularità ela bassissima contaminazione radioattiva (dato il quasi contatto con i rivelatori); il compromessofra queste cade, la maggior parte delle volte, su rame OFHC pulito superficialmente e passivatotramite processi di tipo elettrolitico o chimico. Gli ancoraggi dei rivelatori all’holder sono, dinorma, effettuati tramite leve elastiche in materiale plastico, solitamente teflon. Data la scarsaresistenza delle sue proprietà ai cicli di raffreddamento, esso necessita una sostituzioneabbastanza frequente. In generale l’operazione di montaggio e smontaggio del setup sperimentaleè una procedura alquanto complessa, che comporta un tempo morto elevato. Siccome le cause diun fallimento di un run possono essere molteplici e quasi disaccoppiate dalla bontà tecnica dellafase di montaggio, esse spiegano i bassi valori di kg·anno, rispetto alla massa utilizzata, associatiagli esperimenti coi calorimetri.

II.I.III Schermature Come per tutti gli esperimenti, per conservare un bassissimo fondo radioattivo, si utilizzanoschermature tanto meno radioattive quanto più poste vicino al rivelatore. Per le schermatureprossime al rivelatore (fra la mixing chamber ed il volume sperimentale), in questi dueesperimenti si è fatto uso di piombo fabbricato in epoca romana, avente un’attività legata al 210Pbminore di 4mBq/kg. Le schermature laterali consistono di piombo a bassa radioattività e sonostati posti schermi esterni per i neutroni. Anche gli schermi termici del criostato aggiungonospessore assorbente e normalmente vengono fatti in rame OFHC a basso contenuto radioattivo.

II.I.IV Bolometri La ricerca fisica tramite rivelatori di tipo calorimetrico ha origini lontane nel tempo. I primirivelatori bolometrici di particelle α risalgono al 1949 [4] ma il suo utilizzo fu proposto ancoraprima, nel 1935 da Simon[28], mentre la proposta per la creazione di bolometri di grande massaper lo studio del doppio decadimento beta senza neutrino ha origine nel 1983.I bolometri si dividono in due famiglie topologiche:

− la prima, composita, ha un trasduttore termo-elettrico del segnale in temperatura generatodal rilassamento dei fononi (quanti di energia termica) eccitati dall’evento cedenteenergia meccanica nell’assorbitore,

− la seconda è di struttura monolitica, dove assorbitore e trasduttore sono lo stessocomponente

Ciò che caratterizza i bolometri dagli altri calorimetri è l’efficienza di termalizzazione prossimaad uno e l’ottima sensibilità che si traduce in una altrettanto precisa discriminazione in energia.Comunemente, negli altri rivelatori, l’energia rilasciata da un evento viene in parte convertita inionizzazione degli atomi costituenti il rivelatore stesso; la creazione di coppie ione-elettrone,guidate sotto opportuni campi elettromagnetici di polarizzazione, creano un segnale generatodalla migrazione delle stesse verso i punti catodici ed anodici, molte volte indipendenti dai campipolarizzanti il rivelatore (Contatori Geiger, camere a deriva, proporzionali, a molti fili, asemiconduttore…). Altro metodo comune nella costruzione di rivelatori, è l’utilizzo di proprietàottiche del materiale rivelante dove, al posto della creazione di coppie elettriche, vengono

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utilizzati i fotoni di rilassamento dopo l’eccitazione prodotta dall’evento (sistema scintillatore-fotomoltiplicatore, radiatori erenkov…).Entrambi i sistemi, rispetto a quello bolometrico, sono fortemente limitati dalla bassa frazione diconversione dell’energia rilasciata dall’evento in mediatori del segnale(fotoni, coppieelettroniche): per gli scintillatori varia fra il 5% ed il 20% dell’energia rilasciata e per i miglioririlevatori a semiconduttore non si eccede il 30%. Questi dati sono relativi a cessioni di energiasugli elettroni dell’ordine del keV, ovviamente il caso peggiora se si considerano cessioniequivalenti sui nuclei.Il restante dell’energia è, immediatamente dopo la cessione d’energia, termalizzato in fononi,cioè in quanti di calore; l’idea associata ai rivelatori bolometrici è proprio la misura di questiultimi.In regime di proporzionalità, il numero N di quanti mediatori del segnale è proporzionaleall’energia E rilasciata dall’evento, dal parametro di proporzionalità detto efficienza quantica ηed inversamente proporzionale all’energia media di creazione del quanto stesso ε. In unatrattazione completa tutti questi parametri sono dipendenti dall’energia ceduta, con un taglioinferiore su ε identificato da un’energia di soglia per la creazione del quanto, da una saturazionesul numero di questi ultimi per effetti di schermo, da fluttuazioni statistiche rilevanti se N risultapiccolo.Comunque, è evidente che tanto più ε è piccola, tanti più quanti verranno prodotti e diconseguenza si avrà una risoluzione energetica ∆E/E tanto migliore; supponendo statisticapoissoniana, si definiscono appunto le seguenti uguaglianze:

2,35 2,35E E N F

N E NE N E

εηε

∆ ∆ ⋅= ∆ ∝ ⇒ ∝ ∝

con F detto fattore di Fano rappresentante le fluttuazioni statistiche dipendenti da eventi correlati,fuori dal calcolo strettamente poissoniano. Ancora una volta i bolometri, avendo associatebassissime energie di creazione di quanto, ottengono risoluzioni elevatissime.

Schema termico del bolometro

Lo schema termico di un bolometro consiste, a grandi linee, in una capacità termica C in contattotramite una conduttanza termica G ad un bagno termico, di solito ipotizzato a quantità di caloreinfinito e a temperatura T0. Qui sotto è rappresentato un modello a tre stadi[24]:

33


La capacità C è la capacità del bolometro, in quello composito è vista come quella risultantedalla capacità reticolare dell’assorbitore e quella reticolare ed elettronica del trasduttore.La conduttanza termica G è in stretta dipendenza delle metodologie utilizzate per ancorare ilbolometro al holder, di solito è costituita da conduttanze termiche conosciute o trascurabili.I regimi termici in cui si opera sono quasi statici, caratterizzati di solito da tempi di recuperodalle variazioni termiche dell’ordine dei decimi di secondo (o dei secondi per bolometri massivi).Se T(t) è la temperatura istantanea dell’assorbitore tale che

( ) ( ) 0 0 , costantiT t T t T T C G∆ = − << ⇒e la deposizione d’energia E è istantanea, allora:

( )

( ) ( ) ( )

exp :E t

T t conC

Ctempo di discesa termico

G

n numerodi moliC C T c T n

c T calore specificomolare

τ

τ

∆ = −

= =

== = ⋅ =

Ma TMax∝E\C, allora tanto minore è C, tanto maggiore sarà l’ampiezza del segnale. Il metodoadottato è quello di portare cristalli bolometrici a bassissime temperature, in modo tale chel’incremento in temperatura sia visibile al di fuori delle fluttuazioni: una particella da un MeVcedente energia ad una mole di cristallo tipico a temperatura ambiente comporta una variazionedi temperatura tipicamente centrata attorno a 10-15 K, praticamente irrilevabile.

Il calore specifico di un cristallo, a basse temperature, è la somma del contributo dovuto allareazione reticolare e di quella del sistema elettronico, la cui propagazione è mediata da quanti,detti fononi, operanti nell’ambito di una teoria simile a quella ottica. Ad essi, infatti, vieneassociata un’energia media di creazione pari a ε=KBT con energia i soglia dipendente dal mezzoin eccitazione termica[26][25].

Sistema reticolarePer i cristalli dielettrici e diamagnetici, il solo contributo è dato dal sistema reticolare individuatodalla relazione di Debye, che conta soltanto i modi discreti di oscillazione con un taglio superiore

alla frequenza 2m

K

mν

π=

⋅, la quale risulta il limite superiore di propagazione coerente in teoria

ondulatoria. Nel reticolo spazialmente periodico del cristallo ed in generale nei solidi, il calorespecifico diventa:

3

4

numero Avogadro12

temperatura di Debye5

costante di Boltzmann

A

r A B DD

B

NT

c N k con

k

π=

= Θ = Θ = la relazione vale per T< ΘD. Questa si converte in capacità termica C:

[ ]

[ ]

=1944 J/°K mol

( ) con massa molecolare

massa kgD

m TC T M

Mm

ββ

⋅

= = Θ =

34


Sistema elettronicoPer la parte elettronica, il termine di calore specifico associato al gas di Fermi con il quale èmodellizzato il sistema elettronico entra in gioco, caratterizzandone il calore specifico (adeccezione di regimi superconduttivi), su materiali metallici o comunque a bassissimetemperature, dato che scala linearmente con esse:

2temperatura di Fermi

con numero di elettroni di conduzione per atomo

costante molare dei gas

F

eD F

Tc ZR Z

R

πΘ =

= =Θ Θ =Per intervalli di temperature superconduttivi, la relazione generale del calore specifico della parteelettronica diventa invece:

2

( ) con temperatura di transizione superconduttivaC

T

Te s Cc T K e T

−= =

Essendo quest’ultimo dipendente esponenzialmente da T, allora risulta trascurabile per T<<Tc

rendendo quello reticolare predominante nel calcolo della capacità termica del materiale inistudio.

I materiali più adatti per costituire la parte di assorbitore di un bolometro, sono da ricercarsiquindi tra i cristalli dielettrici e diamagnetici, con elevata temperatura di Debye, assicurando cosìun capacità termica calcolabile esattamente senza transizioni di fase. È tuttavia possibileutilizzare anche superconduttori con temperature critiche sufficientemente più elevate dellatemperatura di lavoro.Da questo riassuntivo preambolo, si può stimare la risoluzione energetica tramite un modello chediventa particolarmente efficiente nel caso di completa termalizzazione dell’energia depositatadall’evento; in questo caso la risoluzione del bolometro è limitata solo dalle fluttuazionistatistiche.Nel caso di segnali di temperatura che poco si discostano dalla temperatura di termalizzazioneT0, si ottiene che si producono:

2int 0 0 00 0

0

( ) ( )mentre ( )B

B B

E C T T C TN E N K C T T

K T Kε

ε⋅= = = ∆ = ⋅ = ⋅ ⋅

⋅Eint è l’energia interna al cristallo, la quale è equivalente ad un insieme di N fononi il cui numerofluttua analogamente ad un rumore di tipo granulare. La fluttuazione determina il fondo dirumore da quale deve essere discriminato il segnale di una cessione di energia E, la quale verràrilevata con risoluzione percentuale:

( ) , supponendo che l'energia produca piccole variazioni di temperatura indipendenti

dalla temperatura di base, allora essa migliora col diminuire di quest'ultima.

E T

E

∆

La risoluzione teorica è elevata se confrontata con tutti gli altri rivelatori: per un cristallo di Si di1g, operante a 20 mK, ∆E risulterebbe minore di 1 eV, ovvero due ordini di grandezza inferiorerispetto al migliore diodo al Si(Li). Un cristallo di Ge di 1 Kg operante a lO mK, potrebbemisurare raggi γ con una risoluzione di circa 10 eV, ossia due ordini di grandezza meglio deirivelatori a diodi di Ge. Questo limite termodinamico può essere raggiunto in un rivelatore realesolo quando le fluttuazioni statistiche associate ad altri meccanismi di deposizione di energiasono opportunamente minimizzate (ad esempio stati metastabili elettrone-lacuna) e quando sitrascurano contributi solitamente dominanti come il rumore elettronico e altre sorgenti di rumoretipiche per i bolometri, quali microfonismo e instabilità termiche.

35


Seguendo l’approssimazione di Debye, l’energia massima che può avere al momento dellacreazione del fonone iniziale è dell’ordine dei 10-100 meV che, a tempi immediatamentesuccessivi all’evento, produce fononi fuori dall’equilibrio chiamati balistici, i quali termalizzanosecondo statistica di Bose-Einstein. L’energia media di un fonone termico è ε=2,7 KBT(oppure 0,23 meV/K) in dipendenza della temperatura di Debye del mezzo in cui si propaga. I fononi vengono prodotti secondo due canali: quello nucleare e quello elettronico.Al primo è legata la creazione-assorbimento di fononi tramite moti reticolari;in questo caso èpossibile che la particella (tipicamente ) cedente energia danneggi il reticolo cristallino,sottraendo così parte di energia per la creazione fononica, ciò causa perdita di risoluzione nelrivelatore.Al secondo, cioè al canale elettronico, è associata una sequenza intermedia di processi discattering medianti l’assorbimento di energia rilasciata. All’accadere della evento, vengono create primariamente coppie elettrone-lacuna in alta densitàspaziale localizzata nella zona di scattering, le quali diffondono successivamente fino a quando laloro densità locale diventa dello stesso ordine di grandezza delle impurezze. A questo punto ilprocesso dominante diventa lo scattering su queste e da ciò la produzione di fononi. Anchesecondo questo canale, la produzione di fononi può avere energie disponibili ridotte per:

− ricombinazioni radiative della coppia elettrone-lacuna con fuga del fotone− ricombinazioni non radiative a tempi lunghi rispetto al segnale di temperatura− intrappolamenti di elementi di coppia in siti generati da impurezze o difetti reticolari

L’ottimizzazione del rivelatore consiste anche nella minimizzazione di questi effetti, scegliendoil materiale del cristallo in funzione della radiazione da rilevare.

La termalizzazione dei fononi avviene essenzialmente in pochi canali:− interazione dissipativa fonone-fonone,− divisione del fonone in più fononi meno energetici,− scattering incoerente su impurezze,− riflessioni sulle superfici del cristallo.

I fononi termici sono i portatori del segnale nei bolometri, essi devono termalizzarsi in un tempobreve a seconda della sorgente in istudio e tipicamente generano un andamento della temperaturain funzione del tempo di questo tipo:

36


, sonoduecostanti legate a parametri( ) dove

costruttivi del trasduttore( )H

ttH

H

ET t e e

C Tττ

τ τττ τ

−− ∆ = − − I tempi caratteristici di rilassamento associati alla termalizzazione sono in funzione, allora, delladimensione (tenendo come tipici gia altri parametri), solitamente sono dell’ordine di:

− decine millisecondi per rivelatori microscopici, in cui il cristallo singolo ha dimenzionisubmillimetriche,

− da decimi di secondo a secondi per rivelatori macroscopici.Siccome i tempi di salita sono generalmente compresi nell’intervallo delle decine di ms, i tempitotali di un impulso sono dell’ordine dei tempi di rilassamento. Da ciò il campo di ricercaassociato all’utilizzo di questi strumenti è quello della fisica degli eventi rari e di alcune branchedell’astrofisica a tempi lunghi.

II.I.V I trasduttori termo-elettrici Il segnale di temperatura prodotto nel processo di termalizzazione fononica è rilevato, comepreannunciato, da dei sensori che convertono la variazione di temperatura in una variazione diun’osservabile di tipo elettrico, solitamente la resistenza o la capacità.

Termistori

I trasduttori sono di solito semiconduttori, detti termistori, con concentrazione di droganteelevata, che porta il semiconduttore ad operare con bande non vuote molto vicine a quella diconduzione, infatti l’introduzione di drogante crea livelli intermedi fra la banda di valenza equella di conduzione del semiconduttore intrinseco. La conducibilità è allora in forte dipendenzadella temperatura, in ultima analisi dai fononi termici. La rilevazione della loro resistenzaequivalente fa ottenere notevoli sensibilità sperimentali sulla temperatura.Se il drogaggio è di tipo n, vengono introdotte delle impurezze, dette donori, donatrici di unelettrone per atomo, considerato ionizzato a temperatura ambiente. Ciò permette di avere unelettrone virtualmente libero, essendo posto in una banda energetica a gap, da quella diconduzione, inferiore all’energia termica. Alle temperature criogeniche, la banda di conduzionedovrebbe risultare comunque poco popolata, essendo gli elettroni donati ritornati nella banda deldrogante. Esiste, invece, una concentrazione critica di quest’ultimo, sopra la quale ilsemiconduttore presenta carattere metallico indipendentemente dalla temperatura. Questo valoredi concentrazione individua la transizione metallo-isolante (nel gergo, MIT, Metal-InsulatorTransition), generata da una raggiunta sovrapposizione consistente delle funzioni d’onda deglielettroni degeneri in banda drogante, la quale permette una conducibilità per effetto tunnel fra gliatomi del drogante stesso definita hopping. Questa condizione può essere raggiunta tramite unaconcentrazione ulteriore di drogante accettore di un elettrone per atomo (introducendo una bandalibera tipicamente poco al di sopra della banda di valenza) secondo un rapporto fisso K=Na/Nd

dove Na(d) sta per concentrazione di accettore (donore).La struttura a bande del solido viene modificata formandosi due bande, dette di Hubbard; si creauna struttura a bande e non a livelli poiché esistono splitting semidegeneri, detti di Mott-Hubbard, dovuti all’interazione locale, del tipo elettrone-elettrone, sul sito di impurezza.

37


I termistori usati per i bolometri vengono drogati a concentrazioni leggermente inferiori a MIT,operando sostanzialmente in due regimi:

− hopping short range dove è consentito il passaggio di un elettrone da un sito impuro aduno strettamente vicino libero tramite l’interazione ad un fonone,

− variable range hopping funzionante tipicamente a temperature più basse del precedente,in interazione anche con fononi di media energia e dove è permesso il tunnel fra stati adenergia vicina, indipendentemente dalla posizione spaziale.

Entrambi questi regimi hanno come paradigma definente la conducibilità del semiconduttore, laseguente espressione:

00

0,5 in VRH( ) exp con

0,25 in hoppingT

TT

γ

ρ ρ γ =

i semiconduttori vengono prodotti con una particolare tecnica che va sotto il nome di NTD(Nuclear Transmutation Doping) con la quale i droganti vengono creati all’interno delsemiconduttore tramite un fascio di neutroni termici[16].I termistori vengono polarizzati tramite un generatore a tensione costante VL in serie ad unaresistenza di carico RL: se la loro resistenza è R, la tensione di polarizzazione è allora VB=IR,

dove I è la corrente circolante nel circuito.Il circuito termico equivalente può essere esemplificato così:dove con G si indicano le varie conduttanze termiche di contatto fra gli elementi.L’alimentazione sul termistore crea potenza P che viene dissipata sugli elementi in contattotermico; l’assorbitore, detta T0 la temperatura del bagno termico, si troverà ad una temperatura:

0BAB

PT T

G= +

questa temperatura è in retroazione, detta feedback elettrotermico, sul termistore per i concettiesposti precedentemente rendendo non lineare la tensione di bias con la corrente I. Se vienestudiata la famiglia di curve descriventi i punti di lavoro è possibile trovarne una ottimizzante lasensibilità del rilevatore; la risposta di questo rimane non lineare rispetto all’energie cedute,fattore compensato in analisi dati.

RL

VL

R VB

I

Termistore

GAS

CS

GSB Assorbitore

N(E)

Prima banda di Hubbard

Seconda banda di Hubbard

Banda di conduzione

E Energia Fermi

38


Il segnale elettrico, generato dal termistore, è in relazione alla variazione di temperatura secondola legge generale:

TV V A

T

∆∆ = ⋅ ⋅

dove con A si intende la sensitività del termistore, valutata in fase di caratterizzazione dellostesso.

II.I.VI Il rumore nei bolometri Le sorgenti di rumore bolometrico possono essere individuate, per la parte termica, in rumoregranulare fononico, tipico di tutti i sistemi stocastici discreti e interessante tutti gli elementitermicamente attivi (soprattutto le resistenze di contatto). Per la parte elettronica, il termistoreorigina anche rumore granulare elettronico essendo a tutti gli effetti una resistenza.In sede dianalisi vengono utilizzate tecniche di soppressione del rumore tramite l’applicazione del filtroottimo, possibile per via di uno studio accurato del segnale in sede di presa dati. Le fonti dirumore che si incontrano in esperimenti che utilizzano tecniche bolometriche possono esseredivise in due categorie:

- rumore intrinseco, ovvero rumore proprio del rivelatore, dipendente dai parametri fisicidell'assorbitore e del sensore. Tale rumore è ineliminabile ed è quello che pone il limitealla risoluzione energetica, legata alle fluttuazioni termodinamiche;

- rumore estrinseco, dipendente dal sistema criogenico e dalla catena elettronica di letturadel segnale; non dipende quindi direttamente dal rivelatore.

Sono queste fonti di rumore ad essere predominanti sulla risoluzione.Seguendo i risultatipresentati da Mather [45], si impone nell'analisi che tutte le sorgenti di rumore siano noncorrelate tra loro. In questo modo è possibile caratterizzare singolarmente le varie sorgenti eottenere lo spettro di potenza totale del rumore semplicemente come somma dei quadrati deglispettri di potenza del rumore dovuto al singolo contributo. Viene definita la potenza di rumoreequivalente (NEP) come:

( )( )

NEPS

ε ωω

=

dove:ε(ω) rappresenta la densità spettrale di potenza misurata ai capi del rivelatoreS(ω) funzione di trasferimento della rete.

Il rumore intrinseco

Si divide in due classi principali:- Johnson- Fononico

e due secondarie ordinariamente ma che a temperature criogeniche diventano importanti:- 1/f- Granulare

Rumore Johnson Esso è generato da fluttuazioni spontanee di tensione ai capi di una resistenza. Queste sonodovute al moto browniano dei portatori di carica. Il termistore, dal punto di vista del rumore, sicomporta come una resistenza ed è quindi soggetto a rumore Johnson. In realtà l'impedenza del

G

AB

Bagno termico

39


bolometro viene considerata una resistenza o un'impedenza complessa a seconda di come siintende la conduttanza termica del rivelatore rispetto al bagno.

Lo spettro di potenza per il rumore Johnson è dato da: 24R

V BS K RT V Hz =

Usando il modello monolitico, si può dimostrare che il rumore Johnson a bassa frequenza tendead essere smorzato dalla retroazione elettrotermica. La polarizzazione in corrente del termistoreviene solitamente realizzata mediante il circuito di Figura III-III.1 dove RL è la resistenza dicarico, posta in generale ad una temperatura TL , diversa da TB. Si deve quindi considerare ancheil rumore Johnson della resistenza RL, anche se si dimostra che tale contributo è trascurabilerispetto al rumore del termistore. Il contributo di RL al rumore sul rivelatore è pari a:

2

LRRivV V

L

RS S

R R

= +

di conseguenza il rapporto fra i due può essere ridotto aumentando RL che, nel limite RL >> R:2

L

L

RRivV V L

R RR RV V L L

S S R TR

S S R T R

⋅→ = ⋅

Rumore fononico Il rumore termico di origine poissoniana, analogo a quello di origine elettrica, esiste anche incondizioni di equilibrio. Agisce attraverso la conduttanza termica che collega l'assorbitore albagno ed è generato da un flusso casuale di fononi. Questo flusso fononico produce rumoreintrinseco che si sovrappone al segnale P(t) e che genera un rumore elettrico ricavabile attraversola funzione di risposta del bolometro.La densità spettrale che si ottiene tramite un'analisi termodinamica dei flussi risultato valido persistemi isotermici è data da:

224T

V B

WS K GT

Hz

=

Rumore 1/fLa prima di esse è il rumore definito rumore 1/f, che si manifesta solo quando il rivelatore vienepolarizzato. È possibile che tale rumore sia dovuto a centri di intrappolamento alla superficie deltermistore del rivelatore, ovvero è un rumore di tipo generazione-ricombinazione.Alle temperature a cui si lavora, questo tipo di rumore può divenire molto importante, dato che itempi di intrappolamento diventano molto lunghi.

Rumore granulareEsso viene generato nei contatti del termistore; questo comporta la necessità di una particolarecura nella realizzazione dei contatti. Il rumore granulare presenta la stessa dipendenza dallaretroazione elettrotermica del rumore Johnson ed è da esso indistinguibile.

40


II.I.VII MiBeta, Cuoricino e CUORE La parte precedente è stata introduttiva a due esperimenti di fondamentale partecipazioneitaliana, che interessano le sedi universitarie di Como-Insubria e Milano-Bicocca incollaborazione ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso. I rivelatori sono bolometri costituiti da uncristallo assorbitore di ossido di tellurio (TeO2) a cui è attaccato un termistore semiconduttore diGe.

Sorgenti

Entrambi gli esperimenti ricercano il ββ(0ν) tramite lo studio sullo spettro in energia del 128Te edel 130Te; quest’ultimo ha abbondanza isotopica uguale al 33.8% che rende possibili le ricerchecon Tellurio naturale. L’ossido di Tellurio, TeO2, è la molecola con cui si costruisce ilbolometro; questa ha ottime capacità di resistenza meccanica ed ai cicli di temperatura.Il 130Te dovrebbe presentare un picco localizzato a 2528,8±1,3 keV, zona a basso fondoradioattivo conosciuto; l’energia di transizione è compresa fra il picco e la spalla Comptondell’emissione γ a 2615 keV del 208Tl. Per il 128Te, l’energia di transizione si presenterebbe a867keV, energie alle quali il fondo radioattivo diventa più consistente. Lo spettro continuo del ββ(2ν) si estende fino a 2528 keV con massimo a 843 keV.

Setup

La struttura sperimentale è identica a quella esposta per quanto riguarda la criogenia. Laconduttanza termica fra rivelatore e bagno la si ottiene tramite contatti, di diversa geometria, inteflon, mentre quella tra sensore e rivelatore è creata da incollaggi epossidici a sezionicontrollate.I cristalli utilizzati nell'esperimento MiBeta hanno dimensioni 3 x 3 x 6 cm3 (340 g) mentre ibolometri sviluppati per l'esperimento Cuoricino hanno dimensioni 5 x 5 x 5 cm3 (760g).L'ossido di tellurio è un materiale dielettrico e diamagnetico e la sua capacità termica a bassatemperatura è ben descritta dalla legge di Debye, con temperatura associata D=232±10 K. Lacapacità termica che si ricava dalla legge di Debye nella sua forma risulta, con quest'ultimovalore di ΘD e per una temperatura di 10 mK, essere di circa C=3.3·10-10J per i cristalli piccoli eC=7,4·10-10J.

Preparazione dei cristalliQuesti vengono fatti crescere per precipitazione da tellurio puro in soluzione acida il quale sitrasforma in ossido di tellurio. Separato per evaporazione dalla soluzione, la polvere ottenutaviene depositata su un cristallo padre, detto seme, sul quale viene fatto crescere il cristallo-rivelatore mantenendolo a circa 1000 C; successivamente, viene tagliato da una sega a diamante.Separatamente vengono trattate le superfici, le quali risultano le più esposte ad agenticontaminanti; esse vengono lappate in più fasi con polveri a granulometria decrescente fino adiametri inferiori al µm. Tutte le fasi lavorative seguono uno specifico protocollo perl’abbattimento della contaminazione radioattiva.I termistori di Ge sono NTD, dopati utilizzando gli isotopi naturalmente contenuti nel cristallo,74Ge e 70Ge. Questi, sotto bombardamento di neutroni termici, creano isotopi instabili per catturaneutronica i quali, decadendo, creano i donori. L’utilizzo della tecnica NTD è una scelta forzataperché tramite essa si riescono a tenere sotto stretto controllo la quantità di droganti e la

41


distribuzione spaziale degli stessi all’interno del cristallo (che in questo particolare caso deveessere totalmente uniforme). La condizione necessaria ad una buona riuscita dell’operazione è lapurezza iniziale del Ge; la presenza di impurità potrebbe generare bande energetiche non volutee, durante il processo NTD, la trasmutazione di queste impurità in elementi radioattivi a vitalunga.Dopo una forte radioattività iniziale, i cristalli bombardati decadono su elementi stabili, contempi dell’ordine del mese. Il processo è fortemente energetico e porta ad una deformazionespaziale del reticolo cristallino, introducendo delle trappole; per questo motivo il cristallo vienericotto a 400K per circa un’ora. Una fase di taglio, lucidatura finale e l’installazione dei contattielettrici completa l’opera.I chip vengono poi caratterizzati in tensione-corrente e da qui vengono estrapolate le costantioperative. L’installazione e la successiva caratterizzazione sul bolometro è fatta dai gruppi diricerca associati all’esperimento.Ad ogni bolometro viene attaccata una resistenza di alcune decine di kΩ utilizzata percaratterizzare la risposta del bolometro in corso del run; la procedura avviene tramite impulsicalibrati di corrente, che si trasformano a livello bolometrico, in impulsi di temperatura

La catena di lettura consiste in più parti:− fili di dimensione micrometriche utilizzati come alimentazione e trasferimento segnale,

dai contatti dei sensori vanno alle piazzole di termalizzazione dell’holder− da questa piazzola partono i fili di sezione più grossa, termalizzati su vari stadi a

temperature crescenti, fino all’elettronica di front-end− preamplificatori di segnale e successivi formatori, alimentatori− campionatori asincroni a 16 bit, con memoria ciclica a buffer indipendente e modulo

trigger indipendente− computer di acquisizione

Insieme alla digitalizzazione dei segnali, viene incorporato il tempo di trigger; inoltre vengonoacquisiti anche i segnali di fondo, chiamati linee di base.L’analisi di questi dati è off-line, tutti gli impulsi vengono corretti via software col filtro ottimoottenuto dallo studio dello spettro in frequenza del fondo. Da questo ricalibrazione vengonoestratti, singolarmente per ogni impulso parametri come:

- tempo trigger,- valore di ampiezza,- valore della linea di base,- valore quadratico medio della precedente,- tempi di salita e discesa,- fattori di forma,- informazioni riguardanti il pile-up.

Questi formano una sequenza caratteristica di valori che viene posta in matrici di valori chiamaten-tuple. Queste sono utili per studiare di spettri di energia, coincidenze temporali e correlazioniparticolari tra i parametri. Successivamente, si affronta la loro equalizzazione tramite leinformazioni provenienti da segnali di test di efficienza bolometrica eseguiti durante la presadati. Alla fine avviene la costruzione spettrale, in energia, dei dati e l’interpolazione successivaper la ricerca del ββ(0ν).Infine, l’analisi cerca di fare un fit sull’intorno delle energie di transizione, estrapolando così ilvalore di tempo di dimezzamento e massa. Nel caso il picco di fit sia compreso entro gli errori

42


sperimentali, il dato prodotto è il limite inferiore su tempo di dimezzamento che si traduce in unlimite superiore alla massa del neutrino di Majorana.

43


MiBeta

L’esperimento partì nel 1998. Utilizzò 20 cristalli di TeO2 per un totale di 4000 ore. Servì primadi tutto come test per CUORICINO, in cui si dimostrò la fattibilità di usare più rivelatoribolometrici di grande massa come unico rilevatore. Vennero introdotte procedure sofisticate diequalizzazione sperimentale e di analisi dei dati, in aggiunta alla determinazione di sequenze dilavorazione sui bolometri atte a garantire la riproducibilità degli stessi.

Risultati sperimentaliL’efficienza di rivelazione per un bolometro è in funzione del volume fiduciale in quantocomposto omogeneamente dallo stesso materiale. Attraverso un Montecarlo, si valuta lapercentuale di elettroni, aventi spettro energetico uguale a quelli supposti per il decadimento, chevengono generati all’interno del volume e che generano un segnale rilevabile. I risultatisperimentali sono stati basati su un’efficienza di rivelazione dell’84,5%;il tempo di dimezzamento per il ββ(0ν) del 130Te[3][13]è:

( )12

0 130 232,08 10 anni (90% C.L.) che comporta una massa 0,9 2,3 (90%C.L.)T Te m eVνββ≥ ⋅ ≤ −

a seconda dell’elemento di matrice utilizzato per la valutazione della massa.

Per quanto riguarda il ββ(0ν) del 128Te è possibile fornire solo un limite inferiore:

( )12

0 128 231,1 10 anniT Teν ≥ ⋅

44


Le due figure soprastanti sono una misura di fondo nella regione γ, quella a sinistra, e una misuradi calibrazione con una sorgente al 238U e 232Th. Il fondo, nel range del ββ(0ν) è valutato in 0,5cont/(keV·kg·anno), generato in buona sostanza dalle α provenienti dai decadimenti di uranio etorio. Gli esperimenti geochimici sono stati interpretati tenendo conto dei risultati sul doppiobeta; infatti, tali esperimenti riescono a valutare meglio i tempi caratteristici ma solo sullasomma totale dei canali nei quali il doppio beta può avvenire .Il confronto ha portato ad associareal ββ(0ν) sul canale 0+→0+ un contributo non superiore al 1,9%.Al canale ββ(0ν) 0+→2+, doppio beta con emissione di γ da 536 keV, risultò un tempo didimezzamento

( )12

0 230 2 1,4 10 anni (90% C.L.)T ν + +→ ≥ ⋅ con contributo massimale al 2,8%.

L’ultimo canale studiato è il ββ(0ν) 0+→(0+ eccitato) comprensivo di emissione fotonica didiseccitazione:

( )12

0 220 0 3,1 10 anni (90% C.L.)T ν + +→ ≥ ⋅ con contributo non eccedente il 14%

Lo spettro ottenuto non evidenzia un picco netto all’energia di transizione del ββ senza neutrino:

Isotope Transition T1/2 (y)

130Te 0νDBD(0+) < 2.1 x 1023

130Te 0νDBD(2+) < 1.4 x 1023

130Te 2νDBD(0+) < 3.8 x 1020

130Te 1χDBD(0+) < 2.2 x 1021

130Te 2χDBD(0+) < 0.9 x 1021

128Te 0νDBD(0+) <1.1 x 1023

45


CUORICINO

Questo esperimento è, oltre che uno strumento per la ricerca di eventi rari e doppio beta senzaneutrino, un test di fattibilità di uno degli esperimenti a grande massa del futuro, denominato

Cryogenic Underground Observatory for Rare Events [13].L’esperimento iniziò nel primi mesi del 2003. Esso usa cristalli per un totale di 41 kg iniziali eduna massa effettiva di circa 30kg (riduzione dovuta a problemi di black out su alcuni canali erisolti completamente nel run successivo), operante a circa 10 mK; il volume sperimentalecontiene una torre da 62 cristalli di diversa dimensione (3x3x6 e 5x5x5 [cm]) su 13 piani.Quattro cristalli della dimensione minore sono stati arricchiti: due, composti da 128Te, sonopassati al 82,3% e due al 130Te arricchiti al 75%. Essi sono stati fatti crescere in Cina e trasferitivia nave per evitare riattivazione nucleare per esposizione ai cosmici in stratosfera.Il disaccoppiamento meccanico della torre dal criostato viene effettuato per mezzo di barre dirame OFHC vincolate ad una molla di acciaio al piatto a 50mK del criostato. Tutto il sistema èschermato con due strati di piombo dello spessore di 10 cm ognuno; quello interno è di tipo aradioattività ridotta a 16Bq/kg(210Pb), mentre quello esterno è un comune piombo a radioattivitàridotta. A questo si devono associare gli schermi del criostato al rame, che danno un ulteriorespessore di 2 cm, ed uno schermo per neutroni al polietilene borato. Analogamente a MiBeta, èstato utilizzato del piombo romano fra la mixing chamber ed il volume sperimentale, perschermare i rilevatori dalla radioattività delle componenti del refrigeratore, e longitudinalmentealla torre per schermare le emissioni γ di 208Tl e le eventuali emissioni degli schermi del criostato

(tipicamente 232Th). L’intero refrigeratore è incluso in un volume anti-radon, flussato da N2 dievaporazione, e da una gabbia di Faraday.L’elettronica consiste in un amplificatore differenziale di tensione seguito da un filtro anti-aliasing. La configurazione differenziale è stata utilizzata per la minimizzazione del cross-talksui segnali e del rumore microfonico proveniente dai cavi. Il sistema è protetto da instabilitàdella temperatura ambientale e da quelle elettriche. Il sistema funziona tutto in remoto tramite

Figura II-0 Tipici holder e la torre di Cuoricino

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controlli dinamici sulla ottimizzazione del singolo bolometro. Su 24 canali sono stati applicatidei preamplificatori, alla quota termica di 100K, per ridurre il microfonismo, particolarmentedannoso per la risoluzione nelle zone a bassa energia dello spettro, utilizzate per lo studioWIMPS.L’intera torre viene raffreddata a circa 8 mK con differenze massime di temperatura fra ibolometri dell’ordine di 1 mK.

Risultati sperimentaliNel primo run, la risoluzione si rivelò essere attorno a circa 7 keV per i 5x5x5 e circa 9 keV per i3x3x6 nella regione del ββ(0ν) con un tempo vivo del 72 [5][8].

In questo run si ottenne una esposizione di circa 2,9 kg/anno per i 5x5x5 e 0,29 kg/anno per i3x3x6 con misure di fondo, nella regione del ββ(0ν), pari a 0,20±0,03 e 0,2±0,1, rispettivamenteper i cristalli grandi e piccoli. Questi valori sono fra i migliori ottenuti in un esperimento di tipocalorimetrico. Gli spettri di rumore sono i seguenti:

Figura II-2 - Spettro somma di calibrazione

Figura II-1 - Spettro somma di rumore

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È possibile identificare le righe γ di 40K, e quelle delle catene di decadimenti generati da 232Tl e238U; sono visibili anche le linee di isotopi eccitati del tellurio dovute all’attivazione dello stessoe linee di isotopi del cobalto e del manganese, dovuti probabilmente all’attivazione del ramecontenuto nel volume sperimentale.Non si è ottenuta nessuna rilevanza sperimentale riguardo ad un picco attorno all’energia ditransizione. I limiti sulla massa che possono essere estratti dai dati sperimentali sono inclusi nellatabella sottostante. Secondo il principio della massima verosomiglianza si identifica il massimonumero di eventi di ββ(0ν) accaduti, compatibilmente col fondo misurato.Ciò dà un limite superiore al tempo di dimezzamento:

12

0 237,5 10 anni (90% C.L.) con massa 0,37 1,9T m eVνββ≥ ⋅ ≤ − (i due valori limite sono in

relazione all’elemento di matrice usato).Lo spettro nella zona del ββ(0ν) è il seguente:

Invece una tabella riassuntiva dei valori superiori della massa del neutrino di Majorana, calcolatisecondo le differenti approssimazioni sull’elemento di matrice, è presentata qua sotto:

Figura II3 Spettro di energia calibrato nella zona del doppio beta

senza neutrino

48


In questi mesi sta partendo un nuovo ciclo di acquisizioni che, se protratte per tre anni,potrebbero far raggiungere una sensitività dell’ordine di 1025 anni.

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CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events)

CUORE è stato proposto nell'autunno 2003 e approvato a marzo 2004 dal Comitato ScientificoInternazionale dei LNGS, prevede un periodo di sviluppo e ricerca di 2 anni. La costruzione delrivelatore inizierà nel 2006 e durerà circa 3 anni; i dati saranno presi a partire dal 2009. CUOREutilizza come isotopo candidato al doppio beta senza emissione di neutrino il 130Te; la tecnicautilizzata è quella bolometrica[13]. Esso è sarà il risultato degli sforzi del gruppo operante su

CUORICINO, consisterà in un telaio cubico di 1000 cristalli di TeO2 per un peso totale di circa800kg, costruito con le metodologie sviluppate per CUORICINO e MiBeta. È previsto che riescaad individuare eventi ββ(0ν) sotto un tempo di dimezzamento limite:

12

0 267 10 anni con massa limite centrata su valori di qualche decina di meVT mνββ⋅:

con un fondo previsto compreso fra 0,01 e 0,001 conteggi/(keV·kg·anno). La scelta del gruppoCUORE di utilizzare il 130Te è dovuta essenzialmente alle condizioni esposte precedentementeper §MiBeta e Cuoricino. In breve, la scelta è duvuta alla sua elevata energia di transizione2,compresa tra il picco ad energia piena3 e la spalla Compton del decadimento del 208Tl, fuori dallospettro del 238 U. In 5 anni di presa dati si pensa di raggiungere una sensibilità sulla massa delneutrino dell'ordine di 30 meV. Uno dei problemi che interessa CUORE, tipici di setup pereventi rari, è il fondo radioattivo; esso verrà discusso ampiamente nel capitolo 5 dove verràpresentato un metodo, ideato dal gruppo di Como, innovativo ed efficace per la riduzione diquest’ultimo.

2 Attestata a circa 2529 keV.3 A 2615 keV

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II.II Il problema del fondo radioattivo negli esperimenti bolometrici

Detto fondo proveniente da radioattività ambientale, raggi cosmici e contaminazioni residuepresenti nel setup sperimentale. Per confrontare tra di loro gli esperimenti del ## viene introdottauna sensibilità sperimentale o fattore di merito del rivelatore, definito come il tempo didimezzamento del processo corrispondente al massimo segnale (S) che può essere nascosto dallefluttuazioni del fondo, ad un dato statistico livello di coincidenza. Definite le tradizionalirelazioni:

12

1 ; ; ln 2

ST

N tλ τ τ

λ= = = ⋅

⋅dove:

- S = numero di decadimenti- N = numero di nuclei candidati al ββ- λ = attività [dec/s]- τ = vita media [s]- t = tempo medio di decadimento

- 12

T = tempo di dimezzamento [s]

Se si considera un livello specifico di fondo b corrispondente ad un tempo t, ad una massa delrivelatore M e ad un'energia unitaria allora prendendo un intervallo di energia di ampiezza parialla risoluzione energetica FWHM centrato attorno all'energia di transizione, il numero atteso diconteggi di fondo è B = b·∆E·T·M . Quindi, presa una larghezza di 1σ e S < B :

( )12

. .0 ln 2 ln 2 68%Back Fluct ANN t Mt

F TA b EB

νηε⋅= > =

⋅ ∆dove:

A

MN N

Aη ε= ⋅ ⋅

η = abbondanza isotopica,NA = numero di Avogadro,A = massa molecolare del compostoε = efficienza di rivelazione.Questa equazione ha il vantaggio di sottolineare il ruolo dei parametri sperimentali essenziali,quali massa, tempo di misura, abbondanza isotopica, livello di fondo. Quando si raggiunge unlivello zero di fondo, ovvero non vengono rilevati conteggi in un certo intervallo di energia in unperiodo di tempo con rilievo statistico, S diventa minore di una certa costante (N2), data dallastatistica poissoniana e corrispondente ad un livello di confidenza fissato; in questo caso siottiene che il fattore di merito scala linearmente con il tempo e con la massa:

( )00

2

ln 2 ln 2 90%2,3

N t tF

Nν⋅> =

la conseguente sensibilità su mββ , tramite semplici passaggi, risulta:

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( ) ( )

( ) ( )0

1 12 2 4

0 0 0

1 120 0 2 2

0 0

m

m

F F G M M t

F F G M M t

ββ

ββ ν

ν ν ν

ν ν

− −

− −

< ∝ ⋅

< ∝ ⋅

dove la prima è riferito a fondo finito, mentre la seconda a fondo nullo; in quest’ultimo caso, lasensibilità, al crescere dell’esposizione M·t, migliora più rapidamente che nel caso a fondofinito.Da qua viene che i futuri esperimenti siano a grandi masse arricchite e fondo minimale, per poteracquisire sensibilità maggiori.

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III Sviluppo di criorivelatori a Como

In questo capitolo verrà illustrata la configurazione sperimentale del Laboratorio di Criogeniadell’Università degli Studi dell’Insubria, elemento fondamentale per l’esecuzione degliesperimenti ideati dal reparto di Ricerca e Sviluppo dell’esperimento CUORE. In particolare, adefinizione di quanto scritto nel capitolo precedente, si illustreranno più in specifico i duecriostati a diluizione di cui la collaborazione si avvale per le creazione di volumi sperimentali abassissime temperature, necessari per gli esperimenti bolometrici. Successivamente verràanalizzata l’elettronica di front-end utilizzata nei suddetti esperimenti.

III.I Ruolo del laboratorio

Il laboratorio di fisica criogenica dell’Università degli Studi dell’Insubria è di recentissimainstallazione. Esso si avvale di numerosi apparati dedicati alla ricerca criogenica, unitamente adun completo equipaggiamento per il supporto alla stessa. Attualmente esso consiste di:− Sala radiochimica avente:

Cappa ventilata Armadi ventilati per composti volatili Cassaforte per sorgenti radioattive

− Camera pulita di classe 10000: Cappa a flusso laminare di classe 100 Macchina da bonding Microscopio ottico

− Officina Attrezzatura meccanica, elettromeccanica ed elettrica per la lavorazione delle strutture

del meccaniche ed elettroniche− Sala di criogenia

Buca con strutture antivibrazioni di sospensione per criostati Elettronica di front-end e struttura di acquisizione dati Elettronica di controllo elementi riscaldanti e termometri semiconduttore Carroponte Cercafughe He3-He4-H2

Cassette di sabbia antivibrazioni Due criostati:

- Tres Bas Temperature a temperatura di base TB = 70 mK, Main Bath a elio liquido,con camera anaecoica e faraday

- Air Liquide a TB =10 mK con Main Bath fornito da un Pulse Tube, in sospensioneelastomerica

Le sale descritte sono fornite di linee elettriche protette da UPS a 10 KVA, con tensioni380/220V e linee di distribuzione acqua, aria compressa, He ed N2.

III.II Criostati

I bolometri, come esaustivamente analizzato, necessitano di temperature dell’ordine delle decinedi mK. Il laboratorio di criogenia dell’Università degli Studi dell’Insubria dispone di un

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refrigeratore a diluizione della ditta francese “Tres Bas Temperature” con bagno principaleall’elio liquido ed un altro criostato, innovativo ma attualmente in manutenzione, della ditta “AirLiquide” il cui raffreddamento iniziale è affidato ad un sistema di moderna concezione detto“Pulse Tube”.

III.II.I Tbt Questo è il criostato utilizzato correntemente per gli esperimenti sui bolometri a sensibilitàsuperficiale. In prossimità della mixing chamber si ha uno spazio sperimentale alto circa 26 cm edel diametro di circa 5 cm. Tale refrigeratore, maneggevole per le sue dimensioni ridotte,permette un raffreddamento abbastanza rapido. Per ridurre il microfonismo indotto dal sistema dipompaggio, il criostato è racchiuso in una struttura di legno ricoperta esternamente da unalamiera metallica e internamente da un materiale fonoassorbente. Questa struttura ha anche lafunzione approssimativa di gabbia di Faraday.

III.II.II Air liquide Una caratteristica degli esperimenti che utilizzano apparaticriogenici è il problema dell'instabilità termica. Tale problema èlegato principalmente alla variazione dei liquidi criogenici del

refrigeratore4, specialmente di 4He; per ridurre tale fenomeno è stata sviluppata una tecnica distabilizzazione che prevede una configurazione criogenica alternativa. Questa configurazione,basata su un nuovo dispositivo chiamato Pulse Tube (PT), permette di mantenere la flangia a 4Ka temperatura costante durante tutto l'esperimento, senza generare ulteriori vibrazioni. Il PT

4 Come il Tbt descritto precedentemente

Refrigeratore Tbt Struttura esterna Cabinet di

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consiste in un compressore collegato ad una testa fredda che presenta come unica parte inmovimento una valvola rotante a bassa frequenza. I vantaggi sono:

- bassa manutenzione; - basso rumore, vista l'assenza di pistoni nella testa fredda; - basso costo dovuto alla sua semplicità.

I PT che si trovano in commercio hanno due stadi di temperatura, tipicamente 80 K e 4 K, conuna potenza criogenica di circa 1W a 4K. In quest'ottica nel settembre 2003 è stato installato aComo un refrigeratore a diluizione dotato di PT; tale criostato non utilizza liquidi criogenici: ilPT raffredda gli schermi a 80 K e 4 K mentre una miscela mista di 3He-4He si condensa nelcircuito del refrigerazione a diluizione per ciclo Joule-Thompson dopo una termalizzazione a 4K. Durante il corso di questa tesi è stato utilizzato questo refrigeratore che ha dimostrato unottimo comportamento del PT, portando a 4K, in breve tempo, le parti refrigerate del criostato.Non è stato invece possibile effettuare un raffreddamento completo alla temperatura di base,anche se nel tentativo di raffreddamento si è arrivati molto vicino, come dimosterà ilcampionamento in temperatura, effettuato tramite la tecnica dei punti fissi, con i dati acquisiti dalprogramma BrainHot.

Figura III1 Pulse Tube del criostato "Air Liquide"

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Nel capitolo 2 si è discusso dell’apparato sperimentale criogenico utilizzato per il tipicofunzionamento di un bolometro tradizionale e si è analizzato il funzionamento, fisicamentecomplesso, di come questo converta l’energia ceduta da eventi esterni ed interni, in energiatermica. Si continua decrivendo il blocco strumentale successivo nella catena sperimentale:l’elettronica di lettura dei segnali generati dalla variazione di proprietà elettriche del trasduttore.Negli esperimenti in oggetto, quest’ultimo è un termistore drogato secondo il processo NTD, incondizioni vicine al MIT, accoppiato ad una elettronica che nel futuro prossimo avrà partiraffreddate a temperature criogeniche.

III.III Elettronica di lettura

La risoluzione energetica di un bolometro è limitata dal rumore totale, quindi, per massimizzareil rapporto segnale/rumore si deve considerare e ridurre il rumore indotto dall'elettronica dilettura del segnale che può essere riassunto in tre contributi fondamentali: disturbi associati alpreamplificatore differenziale, rumore delle resistenze di carico e microfonismo elettrico causatodall’interazione dei fili, di trasporto segnale, con il campo elettromagnetico nel quale sonoimmersi.L’elettronica utilizzata è stata studiata in modo tale da ridurre passivamente il rumore da essastessa generata; essa deve fornire la rete adatta alla lettura dei segnali dal termistore ed alla

formatura degli stessi.La polarizzazione del termistore viene realizzata con due resistenze di carico RL, dispostesimmetricamente; il loro utilizzo ha lo scopo di ridurre il rumore di modo comune, effettuandouna lettura differenziale del segnale. Affinchè l'altezza del segnale sia massima deve essere RL

>> Rb. Alle temperature di lavoro usuali, i termistori hanno resistenze dell'ordine di 1-100 M equindi le resistenze di carico devono essere dell'ordine dei G . Dato il loro elevato valore, ilrumore Johnson diventa rilevante. Poichè esso è proporzionale alla temperatura di lavoro,sarebbe utile portare le resistenze a basse temperature; le uniche resistenze utilizzabili atemperature criogeniche sono quelle a film metallico che presentano però forti instabilitàtermiche. Allo stato attuale le resistenze di carico sono a temperatura ambiente; si pensa di

utilizzare per prossime misure una nuova elettronica fredda posta allo stadio dei 4 K, costituitada FET.

Il segnale prelevato ai capi del termistore viene inviato all'ingresso di uno stadio differenzialecon guadagno G = 218. Si utilizza una configurazione differenziale in quanto permette una

Figura III-III.1 Tipico circuito di polarizzazione di un termistore

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sostanziale riduzione del rumore comune, come quello microfonico. Infatti, gli impulsi dirumore, arrivando in fase agli ingressi del differenziale, vengono da esso annullati, ottenendo unmiglioramento del rapporto segnale/rumore. Anche questo stadio, se posto a temperaturecriogeniche, porta ad un ulteriore miglioramento del rapporto suddetto.

Il segnale, uscito dallo stadio differenziale viene opportunamente filtrato; il filtro da utilizzare,per tagliare il rumore, è di tipo passa basso con frequenza di taglio più grande della massimafrequenza contenuta nel segnale.Il filtro Bessel utilizzato è a 6 poli, con frequenza di taglio a 12 Hz o 120 Hz. Il rumore residuo,di bassa frequenza, non può essere tagliato con filtri hardware altrimenti si avrebbe anche unacontemporanea riduzione dell'altezza del segnale; l'analisi software permette però di ridurre ilrumore in modo considerevole tramite la tecnica del filtro ottimo software.

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IV L’acquisizione dati di Brain

Il setup sperimentale descritto fino ad ora manca di una parte fondamentale: il sistema didigitalizzazione completa del segnale, pretrattamento in linea e salvataggio finale su memoria dimassa. Questi non era presente nel laboratorio di Como ed è stato creato ab initio nell'ambito diquesto lavoro di tesi; il progetto è diventato operativo con oltre sette run completati e decine ditest per un totale di più di due mesi di presa dati. La necessità di digitalizzare tutto il segnalederiva dal fatto che tramite suoi parametri, estraibili da tutta l’evoluzione temporale5, si riesce adeffettuare uno studio complesso basato su correlazioni interne fra questi e fra gli stessi su diversibolometri. Questo verrà dimostrato nel capitolo 5, dove verranno esposte le misure piùinteressanti su un’innovazione, propria del gruppo di Como, riguardante la creazione dibolometri compositi a sensibilità superficiale.

Lo sviluppo di questo sistema di acquisizione fu svolto in più fasi:− Scelta e caratterizzazione di hardware− Progettazione di un codice software innovativo e di una interfaccia grafica, entrambi

ottimizzanti e evolventi le capacità hardware− Adattamento ed integrazione coi programmi di analisi off-line− Test del sistema− Utilizzo sperimentale

Il setup hardware del sistema d’acquisizione consta di:- Pc con processore Intel a 500Mhz, 256Mb di RAM Dimm, memoria di massa su hard disk

80GB, scheda PCI-GPIB- Sistema operativo Windows2000- Ambiente di programmazione National Instruments CVI 6.0- Crate LeCroy a 15 stazioni- Crate controller GPIB LeCroy 8901A- Moduli campionatori LeCroy 6810 a 5Ms/s, 512kb RAM interna (buffer), 4 canali a trigger

unico- Server in rete per il backup dei dati

È importante sottolineare il fatto che la stesura del codice del programma è stata completamentefatta in una maniera originale, senza ricalcare nessuna procedura tipica o standard nota. Lastruttura codice stesso è innovativa; essa è stata conformata alle necessità sperimentaliriguardanti in modo particolare l’ottimizzazione della velocità dei processi a tempo morto, dellarobustezza, del controllo di più strumenti, della variabilità del setup e della modularità persuccessivi sviluppi software integranti nuovi strumenti hardware e di analisi numerica.Ciò ha prodotto una nuova metodologia di temporizzazione dei processi software con un codiceintrinsecamente stabile e di facile conversione a differenti situazioni sperimentali nonché ad unainterfaccia grafica completa e di gradevole utilizzo.

Il progetto del software di acquisizione è stato determinato infatti dalla ricerca diun’ottimizzazione del hardware; quest’ultimo è di concezione fine anni ’80 con problematiche

5 Come il tempo di salita, di discesa, valor quadratico medio del pretrigger, parametri di forma, scarti quadratici daimpulso caratteristico

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relative all’epoca . Esse sono essenzialmente riassunte in una scarsa predisposizione ad unambiente grafico user-friendly, alla modalità parallela di trasferimento dati e ad una alta velocitàdella stessa. Di conseguenza, le peculiarità attribuite riguardano il superamento dei limitihardware suddetti. Tutto ciò che verrà elencato è stato effettuato presumibilmente per la primavolta su sistemi simili; le difficoltà legate allo sviluppo delle seguenti caratteristiche è statonotevole ma ha permesso a questi sistemi obsoleti di diventare efficaci, flessibili ed affidabili persituazioni sperimentali limite e mutevoli, molte volte all’interno dello stesso run di acquisizione.Il risultato conseguito è stato un abbattimento totale dei costi di acquisto di nuovi apparati e unosviluppo di tecnologie software assicuranti una stabilità operativa eccezionale, anche insituazioni critiche come l’interruzione di energia elettrica o di un riempimento totale dellamemoria di massa. La modularità della struttura di acquisizione ammette un’integrazione conmoduli aggiuntivi e una riconversione totale dell’architettura su moduli di controllo ecampionanti differenti da quelli utilizzati in questo setup.Le promesse caratteristiche sono:

- Gestione asincrona dei download dai moduli campionanti tramite interrupt- Ottimizzazione delle librerie- Disaccoppiamento della parte di visualizzazione grafica dalle procedure hardware-

dipendenti- Sequenziazione delle comunicazioni tramite un protocollo espressamente creato per un

grande insieme di moduli e crate (fino a 32 crate per 5 moduli ciascuno, per un totale di640 canali)

- Semplificazione delle procedure per ottenere un contenuto utilizzo del processore e lariduzione sistematica di picchi lavorativi, evitando il collasso del sistema

- Interfaccia grafica generalizzata, adattata ad un grande numero di moduli campionanti,integrata con: Pretrattamento in linea dei dati Programmi di utilità in linea e post-acquisizione

- Gestione software della messa in linea o dell’esclusione dei crate, dei moduli e dei singolicanali, dinamicamente durante il corso del run

- Implementazione di autotrigger e di modalità trigger separate modulo per modulo- Riconoscimento automatico del tipo e della posizione dei moduli sul crate con relativo

adattamento dinamico delle funzioni di libreria

Il sistema di acquisizione è stato usato essenzialmente in tre situazioni sperimentali differenti:- Presa dati da un rivelatore al Germanio convenzionale;- Presa dati da un bolometro installato in un criostato innovativo della ditta "Air Liquide"; - Presa dati da bolometri per la ricerca e sviluppo di CUORE installati nel criostato della

ditta "Tres Bas Temperatures" (TBT);La fase di test è stata utile per poter acquisire dati senza interruzione dal primo run. La struttura dei dati prodotti è interamente compatibile con i programmi di analisi off-line deidati utilizzata dai gruppi partecipanti agli esperimenti CUORE-CUORICINO e MiBeta.

Ora verranno esposte le principali funzionalità del software di acquisizione con commenti alcodice sorgente associato; questo verrà illustrato attraverso un manuale d’uso dell’acquisizionestessa.

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IV.I La strumentazione

Il sistema può essere così strutturato:

Con le ellissi si indicano le interfacce e con i rettangoli i moduli operanti. La parte relativa aibolometri è gia stata spiegata nei capitoli precedenti, ora si analizzeranno le varie componenti

IV.I.I Cablaggi Il trasferimento del segnale viene effettuato tramite cavi BNC schermati; data l’estensionetemporale lunga degli stessi6, i problemi relativi alle riflessioni sui cavi sono automaticamenteesclusi. Un problema rilevante è il microfonismo associato alla raccolta, da parte dei cavi, diradiofrequenza; il problema verrà risolto includendo gli stessi in calze metalliche poste a massa el’introduzione di filtri anti-aliasing di moderna concezione.

6 Dell’ordine di centinaia di ms

Bolometri

Amplificatore Formatore

PC

Esperimento

Bus

Crate Controller

Bus CAMAC

PC-Memoria di massa

PC-Trattamento dati

Digitalizzatore LC6810

LC8901A

Elettronicafront-end

Scheda PCI-GPIB

Crate CAMAC

Cablatura

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IV.I.II Crate 8013A, 8025 Esso è il rack contenete i moduli conformi allo standard CAMAC. Esso fornisce 6 alimentazioni(+6, +12, +24, -6, -12, -24 Volt) stabilizzate e protette, la ventilazione di raffreddamento deimoduli e le linee di comunicazione CAMAC. Il tipo 8013A fornisce 11 stazioni più due per ilcontroller (nel nostro caso il LC8901A) mentre lo 8025 ne contiene 23+2; ad ogni stazionecorrisponde un attacco femmina, o slot, a 86 pin a cui si attacca una scheda. I moduli possonoessere formati da una o più schede; il modulo campionante utilizzato, LC6810, occupa 4 stazioni.

IV.I.III Crate Controller 8901A Il protocollo standard delle comunicazioni fra i moduli nel crate è lo IEEE-583, detto CAMAC(Computer Automated Measurement And Control), mentre il flusso dati da e verso il PC èconforme con lo standard IEEE-488, detto GPIB. La conversione fra i due avviene con unmodulo nel crate, detto crate controller (CC), che normalmente risiede nelle ultime due stazionidel crate stesso. Nel setup del gruppo di Como è l’8901A; il CC è necessario in quanto i modulicampionatori sono sia programmabili (cioè accettano comandi) sia generano un flusso di dati(risposta ai comandi, segnali campionati, informazioni di setup…) da e verso il PC. Questomodulo di controllo occupa due stazioni ed è completamente comandato in remoto. La frequenzacon cui flussa i dati è di 255KS/s, dove con S si intendono pacchetti da 12 bit con diverse flagaggiunte. Escludendo i tempi morti del protocollo di trasferimento dati (comunque nontrascurabili) si arriva alla velocità ottimistica di circa 500Kb/s, che può essere preso come limitesuperiore nella velocità di trasferimento dati dell’intero sistema campionante, in quanto il PCaccetta flussi di intensità di ordini di grandezza superiori.Il compito sostanziale del modulo 8901A è quello di far diventare il sistema di moduli nel crateun unico strumento conforme allo standard GPIB, fornendo la conversione in CAMAC deicomandi GPIB uscenti dal PC (e viceversa), disponendoli sul dataway del crate. Il CC vieneconnesso alla scheda di interfaccia sul computer (nel nostro setup è una scheda NI PCI-GPIB)tramite il cavo GPIB, avente 16 pin disposti su due file parallele contenuto in un attacco di forma

trapezoidale.

IV.I.IV Digitalizzatore LC6810 Esso converte forme d’onda analogiche in formato digitale conservando i segnali acquisiti, primadello scarico sul PC, in una memoria interna funzionante da buffer. Esso misura segnali siacontinui sia con spettro contenuto entro una frequenza di 2,5 MHz; i parametri caratterizzanti ilcampionatore sono:

- 4 canali indipendenti in tensione con fondoscala compreso fra 400mV e 100V- conversione a 12 bit- frequenza di campionamento da 20 S/s a 5MS/s, con possibilità di clock esterno aperiodico

limitato anch’esso 5MS/s- memoria interna da 512MS, espandibile fino a 8MS, segmentabile fino a 1024 settori per

canale, ognuno corrispondente ad un trigger indipendente. La segmentazione viene

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utilizzata per conservare forme d’onda e trasferirle in blocco alla memoria di massa in ununico download, abbattendo così il tempo morto fra due segnali vicini

- memoria di indicizzazione dei trigger- filtraggio e trattamento basico del segnale in ingresso- protocollo comunicazioni conforme allo standard CAMAC

La digitalizzazione a 12 bit implica che il flusso di dati uscente sarà formato da numeri compresifra 0 e 4096, dove al primo corrisponde un valore di tensione minore od uguale al valore minimodel fondoscala campionato mentre al secondo corrisponde quello massimo. Ciò comporta unarisoluzione verticale, ossia in tensione, dello 0,025% del valore di ampiezza massimacampionabile.

Ingressi

Esistono 4 canali per modulo, attivati secondo una limitazione hardware notevole: puòcampionare solo il primo canale, oppure il primo insieme al secondo oppure tutti e quattrocontemporaneamente, triggerati in contemporanea da un segnale di trigger unico. All’aumentaredel numero di canali attivi, la massima velocità di campionamento degrada fino ad 1 MS/s conovvia diminuzione di memoria buffer disponibile per singolo canale. Ad ognuno corrispondonodue ingressi ad 1 MΩ, dove a quello contrassegnato con + è associato un amplificatore noninvertente, mentre a quello con - è seguito da uno invertente. Il sistema può far funzionareentrambi, accettando così segnali sia unipolari, bipolari, differenziali e può porre dinamicamentele boccole BNC a massa. Gli amplificatori vengono utilizzati per ottenere range dinamici alti;essi individuano 8 fondoscala settabili, accettando così segnali con valori di picco-piccocompresi fra 409,6 mV e 102,4V. L’altro compito associato ai suddetti amplificatori, è quello diintrodurre un offset pari alla metà del valore di picco-picco, frazionato in 128 incrementi, perpoter accettare completamente segnali unipolari. All’uscita è posto un filtro che rigetta la parte disegnale in continua. questo è attivabile in remoto su tutte le configurazioni elencate prima. Ognicanale può avere tipologie di ingresso e filtraggio differenti, impostabili esclusivamente inremoto.

Trigger e campionamento

Il sistema può rendere attivo, cioè campionabile, solo il primo, il primo ed il secondo oppure tuttie quattro i canali e memorizzare gli impulsi in segmenti di memoria buffer distinti. Questo vienefatto per:

- ottimizzare la memoria

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- ottimizzare le risorse dell’ADCAd ogni canale attivo viene associato lo stesso tempo trigger per ogni segnale di trigger; in altreparole i canali attivi sono campionati in coincidenza temporale. Il suddetto segnale può esserpreso direttamente dal canale 1 o 2, da un segnale esterno oppure da un comando software,modalità utilizzata dal programma per la creazione di auto-trigger. Se si impostano

- SI punti per segmento di memoria, cioè il numero di punti per impulso campionato,variabile da 1024 S ad 8 MS in 14 possibilità intermedie

- c canali attivi (1, 2 o 4)- n trigger interni, ossia impulsi da registrare prima del download da 1 a 1024,

la macchina crea una segmentazione della memoria interna in N elementi:N = n · c

Detta M la quantità di memoria installata sul modulo, allora deve essere rispettata la seguente edovvia legge:

N≤M/SI

Ogni segmento di memoria, prima dell’arrivo del trigger, viene ciclicamente riempito di datiprovenienti dal campionamento continuo del segnale sul canale attivo, modalità detta appunto dicampionamento ciclico. In questo modo, in presenza di trigger, la macchina associa solo l’indicedi memoria corrispondente al punto campionato che viene registrato in un settore di memoriaisolato da quella di campionamento. Il campionamento poi continua fino a che il segmento dimemoria viene occupato totalmente (in senso ciclico); questo consiste nel fatto che ilcampionamento si interrompe quando arriva all’elemento di memoria corrispondente all’indicedi trigger. Grazie a questa tipologia di processamento hardware, il modulo supporta anche lemodalità di pretrigger e post trigger. Il pretrigger impone che l’indice di memoria bufferassegnato come punto trigger, venga spostato di un numero di posizioni (campionamenti)temporalmente precedenti, selezionabili da 1/8 a 8/8 rispetto alla lunghezza di campionamento.La posizione ad 8/8 corrisponde al full-pretrigger, pari esattamente ad una lunghezza dicampionamento, dove in realtà il segnale di trigger diventa il segnale di fine campionamento. Ilpost trigger è sostanzialmente un ritardo sull’assegnazione dell’indice di trigger, selezionabile in(k+8)/8 volte la lunghezza di campionamento con k∈[0,247].L’assegnazione dell’indice di trigger avviene quando il segnale di usato come sorgente triggersupera il valore (o i valori di soglia) e contemporaneamente risponde ad una sola delle seguenticaratteristiche, dette slope, in tempo ed in tensione:

- derivata positiva sul valore di soglia massimo- derivata negativa sul valore di soglia massimo

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- window = se supera il valore massimo o quello minimo- isteresi positiva = il superamento della soglia massima arma il trigger e il successivo

passaggio sotto quella minima genera il trigger- isteresi negativa = il superamento della soglia minima arma il trigger e il successivo

passaggio sopra quella massima genera il trigger

Le soglie sono basate sul fondoscala (diviso in 255 incrementi) per trigger sui canali; per quelloesterno, esse devono essere comprese fra ±5V (sempre diviso in 256 valori). Esiste la possibilitàdi attivare un holdoff sul pretrigger, cioè di inibire l’armamento del trigger fino alla completaacquisizione del settore di pretrigger del segmento di memoria. L’uso previene che nel dettosettore avvenga un trigger, con conseguente inquinamento di dati iniziali di pretrigger attribuibilia dati volatili o di impulsi precedenti e, di conseguenza, da rigettare.Prima della discriminazione è attivabile un formatore del segnale di trigger in ingresso; essoagisce in tre modalità differenti:

- passa alto con frequenza di taglio a @36KHz, 20 dB/dec- taglio della continua- passa basso con frequenza di taglio @36 KHz, 20 dB/dec

Il tempo morto di norma associato fra il termine del campionamento e l’armamento del triggerinterno successivo è di 160 µs durante il quale non può essere accettato nessun trigger ma ilpretrigger dell’impulso successivo (se esistente) è comunque campionato.

La lunghezza di campionamento è di duplice significato. Alla lunghezza del segmento dimemoria deve essere associato anche una frequenza di campionamento F la quale determina iltempo di campionamento ST; essa ha un limite superiore in dipendenza del numero di canaliattivi (dati su 512 kS di memoria interna).

Fmax[MS/s]

n max (SI=1024S)SI max[KS]

ST min-max[s]min @ SI min e Fmax

max @ SI max e F=20S/sCh 1 5 512 512 [2·10-4 – 2·104]

Ch1 + Ch2 2 256 256 [5·10-4 – 1·104]4 canali attivi 1 128 128 [1·10-3 – 5·103]

La frequenza di campionamento è unica per tutti i canali ed è settabile in 17 valori differenti daun minimo di 20 S/s ad un max di 5MS/s, secondo le modalità indicate precedentemente. Inoltresi può campionare tramite un clock esterno oppure utilizzare una modalità a due frequenze dicampionamento differenti, ognuna associabile separatamente ad un settore, su una divisionetotale in tre, della finestra temporale di campionamento ottimizzando l’uso della memoria.

Per una più specifica descrizione del digitalizzatore, si consiglia la lettura del manuale.

La figura identifica le linee di comunicazione del bus CAMAC, poste sul retro del crateCAMAC, esse si raggruppano in classi:

− 24 linee di lettura (invio dati dal modulo al crate controller)− 24 linee di scrittura (invio dati dal crate controller ai moduli)− 1 linea N di chiamata, esclusiva per ogni stazione− 9 linee di invio comandi di controllo singolo modulo (cinque di tipo F, quattro di tipo A)

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− 4 di controllo globale (INIBIZIONE , INIZIALIZZAZIONE, RESET REGISTRI,BUSY)

− 1 linea di richiesta servizio crate per ogni stazione (LAM = Look At Me)− 2 linee di stato ricevuto comando X e trasferimento compiuto Q − 2 di protocollo di trasferimento (S1 eS2)− linee di alimentazione e di messa a terra

I successivi paragrafi sono da considerarsi introduttivi all’analisi seguente del codice delprogramma di acquisizione.

IV.II Comunicazioni GPIB

Come già descritto, il Crate Camac (CC) è un convertitore di standard fra GPIB e CAMAC,operando in maniera tale da far diventare il crate CAMAC e tutti i moduli in esso contenuti, unsingolo strumento a standard GPIB. Nel setup a cui si riferisce questo lavoro di tesi, il sistema diacquisizione hardware è datato; per onore di cronaca, esistono comunque configurazioni diconnessione PC-CC molto differenti fra loro e decisamente più portabili. Esse connettonostrumenti via usb, ethernet, pcmcia e bluetooth con moduli campionanti integrati nella stessastruttura del crate controller senza necessità di raffreddamento, aventi direttamente installatememorie di massa consistenti con possibilità di trasmissione dati via modem GSM. Invece, ilsetup utilizzato contiene come CC il modulo LC8901A, controllato dal PC tramite una schedaPCI-GPIB installata direttamente in uno slot PCI. Il software di supporto è un programma digestione degli interrupt e manutenzione della scheda PCI-GPIB; l’hardware ed il software è tuttodi fabbricazione National Instruments. Ogni scheda può controllare fino a 15 CC (o strumentiGPIB in generale) operativi, nonostante essi vengano identificati tramite 5 DIP switch, montatisul pannello frontale generanti 32 canali GPIB differenti. Tramite questi DIP si imposta,unicamente via hardware, il canale di comunicazione esclusivo fra PC e CC. Ogni CC puòcontrollare fino a 23 moduli differenti (pari al numero massimo di stazioni sul crate più grande),che nella configurazione a sole 6810 si traduce nel controllo al massimo di 5 campionatori per untotale di 20 canali e 5 trigger indipendenti. Il modulo 8901A ha inoltre capacità di generare comandi globali (I,Z,C) a tutti i moduli nelcrate. Questi comandi sono:

− Inibizione (linea I) la quale inibisce comunicazioni sul dataway (congela l’invio di dati)− Inizializzazione (linea Z) il quale resetta i moduli ad una configurazione di default− Reset registri (linea C), il quale pulisce i registri di memoria dall’ultimo comando

accettatoA questi comandi globali possono corrispondere differenti effetti sui moduli differenti.

IV.II.I Comandi PC-GPIB Prima di arrivare alle complesse procedure GPIB-CAMAC, si deve dare un piccolo accennoall’attivazione dell’interfaccia PC sul bus GPIB. Come già introdotto, essa è ottenuta tramite unascheda PCI alla quale si attacca il cavo GPIB. Ad essa vengono riferite tre tipologie di comando:

− Comandi di controllo scheda PCI− Comandi che tramite la scheda PCI arrivano agli strumenti GPIB, in questo caso è

LC8901A− Comandi che tramite la scheda PCI e il LC8901A arrivano ai moduli controllati, ossia i

6810.

Comandi di Comandi di Comandi di Comandi di

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La struttura dei comandi è più o meno la stessa per tutte le tipologie, essa consiste in un indirizzoper specificare a quale periferica istruire il comando che seguirà, definito numericamente e conbyte opzionali definenti operazioni particolari.

Il caso delle comunicazioni sul bus PCI non viene trattato poiché le specifiche di comunicazionesono differenti in funzione del computer e del sistema operativo installato; l’unico processoimportante è quello di inizializzare la scheda ponendola come CIC (Command In Chief ) tramitefunzioni nel codice appartenenti alle librerie della National Instruments installate sul computerd’acquisizione assieme all’ambiente di progettazione software. Generalmente, per ogni tipologiadi comando, esistono uno o più status byte creati dal ricevente ed indicanti lo stato delmedesimo; molte volte, assieme a quest’ultimo, viene associato lo stato del bus relativo allatipologia del comando stesso. La decodifica dei byte è fatta seguendo la maschera tipica dellostandard (PCI,GPIB,CAMAC) associato alla classe del comando.

Ora viene proposta la procedura classica di inizializzazione della scheda PCI, a cui vieneassociato normalmente l’indirizzo 0 ed i parametri standard di comunicazioni PCI. Le funzioniutilizzate sono esattamente quelle usate nelle librerie o nel codice per il controllo delle proprietàbase dei moduli. Il listato seguente è tratto da un programma della NI di esecuzione riga per rigainterattiva, che di norma viene utilizzato per poter testare procedure particolari. Il vantaggio diquesto programma, nonostante una debole capacità di programmazione (non oltre il livello dicreazione script), risiede nel fornire tutte le potenzialità di norma ristrette ad un ambiente diprogrammazione più specifico rispetto ad uno di tipo botta-risposta fra l’utente e lo strumento. Siha, inoltre, la possibilità di visualizzare in automatico lo status byte e la memoria dei registrimacchina; ciò è utile per la comprensione del funzionamento dell’apparato e verrà sfruttato nellaseguent spiegazioni.

Interactive ControlCopyright 1999 National Instruments CorporationAll rights reserved.

Type 'help' for help or 'q' to quit.

: set 488.2 Seleziona interfaccia PCI-GPIB comune

488.2 (0): sendifc Comando comune resettante le periferiche gpib (sul crate resettasolo i moduli 8901A)

[0130] ( cmpl cic atn )

488.2 (0): ibfind gpib0

gpib0: ibfind 8901a2

8901a2:

Stato gpib0 in formato leggibile

Status Byte scheda pci-gpib 0

Identificazione della periferica8901A e della scheda pci-gpibtramite codici (template) impostatisul software NI

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IV.III Comunicazioni GPIBCAMAC.

Il sistema GPIB-CAMAC funziona tramite variazioni dello stato dello strumento GPIB;attraverso queste, vengono caricati i dati associati alle funzioni e distribuiti dal CC sui moduli.Le variazioni di stato del CC sono comandate da funzioni di codice totalmente differenti daquelle che verranno poi usate per gestire i moduli che lo strumento GPIB controlla.

IV.III.I Stati GPIB e funzioni correlate I due più importanti stati del sistema sono quello di talk, nel quale lo strumento GPIB invia i datidel registro al bus GPIB, e quello di listener, nel quale lo strumento carica i dati che il bus glifornirà. Questi stati vengono gestiti dai comandi:

− MTA e UNT, seguiti dall’etichetta identificante il CC, che attivano o disattivano ilparticolare CC dallo stato di talk

− MLA e UNL, seguiti dall’etichetta identificante il CC, che attivano o disattivano ilparticolare CC dallo stato di listener

Altro stato particolare del CC è quello di Serial Poll (SP), nel quale avviene la verifica di qualisiano i moduli che hanno acceso le linee di richiesta servizio dette LAM; questo stato vieneattivato e disattivato dai comandi di SPE e SPD.Dai comandi UNL,UNT e SPD, il CC si mette in uno stato basico chiamato di Idle, dove puògenerare delle richieste di servizio senza occupare il bus GPIB e nel cui stato può, ovviamente,accettare conversioni dello stesso.Le funzioni di codice corrispondenti a comandi ai moduli operanti con l’8901A sono differenti;esse contengono il numero (N) di stazione per identificare a quale componente (A) del modulo,installato nel crate, riferire il comando (F) da eseguire e i dati utili (W1, W2, W3) a quest’ultima.Se la funzione è di tipo scrittura (p.e. invio di un comando di setup), il CC attiva delle linee(F,A,N,W1,W2,W3) predisposte nel dataway CAMAC del crate indirizzando il comando almodulo scelto, secondo lo standard CAMAC. Se invece la funzione richiesta è di download dati(p.e. lo scarico di dati da un campionatore o la lettura del setup del modulo) il CC legge i dati chenormalmente sono sequenze di bit emesse in parallelo sulle linee (R1,R2,R3) e li conformasequenzialmente, predisponendoli secondo lo standard GPIB.Queste comunicazioni avvengono con il seguente protocollo, una volta scelto il modulocontenuto nel dato crate collegato alla specifica scheda:

1. si setta la scheda GPIB scelta sul PC, ponendola come CIC (Command In Chief)2. si attiva il CC scelto, mettendolo in uno stato di listener (con accensione del relativo led),

preparandolo così alla ricezione di dati inviati dal pc3. si inviano sequenzialmente i dati secondo questa successione: (F,A,N,W) oppure uno dei

comandi (C,Z,I) che il CC pone nel proprio registro fino al suo completamento o ad unaconversione dall’esterno del suo stato di listener.

4. si converte il CC nello stato talk, eseguendo così un ciclo CAMAC nel quale il comandoviene trasferito, tramite l’accensione delle linee del dataway, ai moduli interessati (uno otutti).Nello stato di talk, alla fine del ciclo CAMAC, il CC invia sul bus GPIB lo status byte ilquale porta le informazioni relative all’accettazione del comando da parte del modulo (X)e del buon trasferimento dati sul dataway CAMAC (Q).

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Se la funzione è di tipo lettura, allora si possono settare varie modalità di trasferimento dati, asingolo byte oppure in blocco, e a differenti velocità in modo da equilibrare le finestre temporalidi trasferimento dati utilizzabili dai moduli nel crate. È possibile incrementare la velocità diestrazione dati fino ad un valore massimo dello standard CAMAC-GPIB, mettendo il modulo inuna modalità di trasferimento dati detta HSBTM, cioè di trasferimento dati in blocco ad pienavelocità CAMAC. Ciò avviene trasferendo dati senza richiesta di comandi talk-listener di avviociclo; questa funzione svuota la memoria a cui si indirizza la funzione di lettura, ed ilraggiungimento della fine di questa fa fermare la lettura e fa alzare la linea Q. Questa modalità èquella usata dal software di acquisizione, nel quale vengono accettati dati binari di tipo short(R1,R2) dal CC ogni 2 µs; nel caso di problemi in lettura, l’acquisizione si imposta a velocità diletture in blocco inferiori.

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IV.III.II Funzioni di libreria e sue modifiche Le funzioni utilizzate per il controllo del CC sono di bassissimo livello; nel codice vengonoutilizzate si quelle di libreria che altre implementate direttamente nel codice stesso per ottenerevelocità di esecuzione dei comandi più sicure e veloci. I file di libreria lccamac.h e lccamac.c,forniti dalla National Instruments in collaborazione con la LeCroy, sono stati pesantementemodificati nelle seguenti parti:

− sequenza dei comandi = molte volte si presentavano sequenze di comandi ridondanti edin alcuni casi critiche od erronee, comunque inadatte alla gestione tramite interrupt;questa parte di modifiche apportate allo standard è quella più consistente, dove si èottenuto un effettivo upgrade software del sistema hardware

− cicli di controllo = ridotti ai minimi termini grazie a restrizioni numeriche sull’interfacciagrafica e nella struttura delle funzioni ad alto livello

− temporizzazione dei comandi = in alcuni casi si deve aspettare che il dataway si liberi;durante questi cicli di while si è introdotta l’esecuzione di funzioni semplici ottimizzantila precisione strumentale, come l’assegnazione dei tempi alle procedure che lorichiedono

− integrazione col sorgente principale e con procedure accoppiate ad eventi sull’interfacciagrafica

IV.III.III LAM - SRQ Un'altra capacità di 8901A è quella di accettare segnali LAM, attivati dal singolo modulo su unalinea dedicata per ogni stazione, in condizioni che variano secondo la tipologia del modulochiamante LAM. Nel caso del 6810, la linea LAM della stazione di riferimento del 6810 vieneattivata se il campionatore ha campionato il numero di trigger da acquisire e se il modulo vieneabilitato a generare LAM.A seconda di come è impostato il CC, in presenza di un’attivazione di una linea LAM o Xoppure Q od una combinazione esclusiva di queste, il controller genera una richiesta di servizio,detta SRQ; questa può originare, se il programma di acquisizione lo integra nel codice, uninterrupt facendo innescare dei processi detti asincroni. Il sistema di acquisizione è strutturato inmodo tale che ad un LAM, il CC che gestisce il modulo attivi un SRQ e di conseguenza uninterrupt, facendo partire una delle varie funzioni di download e di gestione dell’interfacciagrafica.

IV.III.IV Serial Poll Per i SRQ generati dal LAM, è possibile attivare una procedura, detta Serial Poll (con accensionedel led associato) nel quale il CC entra nello stato di Service Request, dove esso testa le lineeLAM ed invia sul canale GPIB 5 byte identificanti le linee LAM alzate nel crate. Il sistema diacquisizione ha ricreato una struttura migliorata dal punto di vista logico, nel quale l’SRQ vieneesteso a tutti i CC operanti sotto la stessa scheda PCI-GPIB, con modalità espostesuccessivamente.

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IV.IV Comunicazioni CAMAC

IV.IV.I Comandi Il codice di programmazione prevede che i vari processi da far eseguire al singolo modulo nelcrate siano identificati da specifiche funzioni etichettate con sequenze numeriche da due (A, F)fino a 5 componenti (A, F, W1, W2, W3), precedute numero della stazione corrispondente almodulo che li deve eseguire, nel caso siano comandi non globali. Il software le trasforma insequenze GPIB che, nel caso si abbia un modulo 8901A, sono corrispondenti ad un flussobinario composto dagli stessi numeri in sequenza (N, A, F, W), come precedentemente illustrato.Questo flusso viene caricato nei registri del CC ed al termine di questa operazione, il CCreindirizza il comando al modulo oppure lo fa eseguire a tutti (se il comando è globale)attraverso l’esecuzione di unn ciclo CAMAC.I comandi consistono in segnali di tipo tempo inviati sulle varie linee del bus CAMAC, conintestazioni specifiche:

− N identificativo modulo (numero di stazione del gestore comunicazioni del modulo)− A identificante sottosezioni del modulo (4 linee A=A1, A2, A4, A8) corrispondente ad un

numero a 4 bit, ossia compreso nell’intervallo [0,15]− F identificativo funzione (5 linee F = F1, F2, F4, F8, F16) corrispondente ad un numero a

5 bit, ossia compreso nell’intervallo [0,31]− Fino a tre pacchetti da 8 bit ciascuno di dati W7 (W1, W2, W3) inviati dal CC sulle linee

W − Fino a tre pacchetti da 8 bit ciascuno di dati R8 (R1, R2, R3) inviati dal modulo al CC

sulle linee RL’invio dei comandi risulta dall’accensione (alzare, ossia mettere ad una data tensione una linea)per un tempo specifico di combinazioni successive di linee. Quelle di tipo N attivano la ricezionedel comando sul singolo modulo corrispondente alla linea accesa. Quelle di tipo F ed A sonocomuni a tutti i moduli e la combinazione di linee alzate individua un numero, espresso in codicebinario. Quelle di tipo A attivano la ricezione della funzione individuata da quelle F su unaparticolare parte del modulo. La funzione F può necessitare di descrittori aggiuntivi, identificatida un’accensione di combinazioni delle prime 8, 16 o di tutte e 24 linee W o R (se la funzionenecessita di un numero aggiuntivo da 8,16 o 24 bit).In pratica, dal software parte un comando che via GPIB arriva al CC, questo lo trasforma in unaaccensione simultanea di linee (N, A, F, W o R) corrispondenti a quattro numeri caratterizzanti ilcomando. Tutte le sequenze temporali vengono regolate dall’accensione e dallo spegnimento deisegnali di strobe S1 e S2.Durante queste operazioni, viene alzata la linea busy, che inibisce ogni altra comunicazione; altermine del trasferimento (NAF, W o R), se il comando è riconosciuto dal modulo, esso alza lalinea generale X e cerca di eseguire il comando stesso.In alcuni casi il modulo può chiamare il CC attivando la linea LAM, mettendo in grado il CCstesso di far generare, se predisposto, degli interrupt al PC.Il discorso si differenzia per i comandi globali, i quali vengono eseguiti contemporaneamente datutti i moduli che li possono accettare, una volta attivata la linea corrispondente. Sul 6810, ilcomando I inibisce l’accettazione dei trigger, metodo utilizzato per far partire in contemporanea

7 Si hanno infatti 24 linee parallele di tipo W, suddivise in tre gruppi.8 Si hanno, anche in questo caso, 24 linee parallele di tipo R, suddivise in tre gruppi.

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il pretrigger a tutti i moduli campionatori, mentre il comando clear ha l’effetto di resettare iregistri caricati con un comando CAMAC non ancora attivato da un ciclo CAMAC.

Analizzando tutto ciò che è stato esposto, si può tranquillamente affermare che il sistema globaleè di tipo seriale, anche se le trasmissioni nel dataway CAMAC sono di tipo parallelo. Inoltrel’inibizione del dataway durante l’esecuzione di un singolo trasferimento dati genera in moltesituazioni di incodamento, che può essere sorgente, se mal governata, di uno stallo del sistema.Date queste osservazioni e problematiche, tipiche di sistemi a singolo controller, nasce lanecessità di ricreare un ambiente software nel quale l’azione di queste sia prevenuta oppureminimizzata, visto l’impossibilità di eliminarla

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IV.IV.II Esempi di comunicazione PC-GPIB-CAMAC bidirezionale Ora verranno studiati alcuni esempi didattici sul funzionamento del sistema PCI-GPIB-CAMAC

Serial Poll su LAM, generato da ADC satura

488.2: set gpib0

gpib0: ibcmd "\x18"[0174] ( cmpl rem cic atn lacs )count: 1


gpib0: ibrd 5[2164] ( end cmpl rem cic lacs )count: 500 00 00 00 00 . . . . .


gpib0: set 8901a2

8901a2: ibwrt "\x23"[0100] ( cmpl )count: 1

8901a2: ibrd 4[2100] ( end cmpl )count: 200 00 . .




Comandi PCI-GPIB. È doveroso notare che consistono in un unico numero, in questo esempio mandato in esadecimale, gestito dalla funzione ibcmd che invia comandi GPIB.x18 pone la scheda PCI in modalità Serial Poll, attivando la linea sul bus GPIB dedicata e forzando gli strumenti gpib nello stato SPEx42 individua il canale su cui è installato lo strumento GPIB al quale richiedere il serial pollLa funzione ibrd esegue il ciclo ponendo lo strumento selezionato in precedenza nello stato talk e leggendo 5 byte, i quali sono stati caricati nel registro dell’8901 dal precedente stato SPE. Si vede che essi sono tutti nulli, indicando che nessun modulo gestito dall’8901 era aveva attivato la linea LAM, la quale avrebbe forzato l’8901 a richiedere un SRQ, visibile dallo status byte e sulla descrizione fra parentesi.x19 porta il CC sullo stato di Idle mandando un SPD

Ora viene selezionato il modulo 8901A già registrato come template dal programma interattivo. Nel codice questa procedura consiste in un invio della funzione ibcmd selezionante l’indirizzo dello specifico strumento. In questo caso si usa il ciclo Talk-Read dove la funzione ibwrt pone prima il CC in modalità listener e poi gli invia il codice numerico relativo al comando da eseguire. Utilizzare ibrd pone lo strumento nello stato talk, facendo eseguire un ciclo camac ossia facendo compiere al CC, od al modulo contenuto in esso, il comando. Il numero passato con ibrd sarà il numero di byte letti in uscita dal ciclo camac. In questo caso, essendo fatto passare solo un unico numero con ibwrt, esso sarà relativo ad un comando camac globale.x23 inizializza tutti i moduli nel cratex69 imposta una modalità di trasferimento ad singolo byte a velocità minima

Gli status byte forniti dal CC sono sempre zero, per comandi globali, essi indicando un trasferimento dati e accettazione comandi avvenuti senza problemi.x41 attiva la generazione di SRQ da parte del CC, che verrà letto da un serial pollPer brevità, l’adc è già posta in saturazione, di conseguenza, quando verrà abilitata la generazione di LAM sull’adc, essa alzerà subito la linea e il CC genererà immediatamente un SRQ

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8901a2: ibwrt "\x1a\x0\x3"[0100] ( cmpl )count: 3


8901a2: set gpib0

gpib0: ibcmd "\x18"[1134] ( srqi cmpl cic atn lacs )count: 1


gpib0: ibrd 5[3124] ( end srqi cmpl cic lacs )count: 543 04 40 40 40 C . @ @ @



gpib0: ibrd 5[3124] ( end srqi cmpl cic lacs )count: 543 04 40 40 40 C . @ @ @


gpib0: ibcmd "\x19"

Ora il CC viene caricato con una sequenza di tre byte, i quali corrispondono alla sequenza (F,A,N).In questo caso si abilita la generazione di LAM su esaurimento memoria dal modulo in stazione 3.lo status byte in binario corrisponde ad 11, cioè che il comando è stato ricevuto correttamente ed attivato con successo. Alla fine del ciclo CAMAC, l’adc 6810 già satura, posta in stazione 3, attiverà la linea LAM della terza stazione.

Ora si riesegue il serial poll come in testata, si nota che è attiva la linea SRQI.I 5 byte di serial poll generati dal CC individuano secondo una particolare maschera quali stazioni hanno lanciato LAM.

La lettura degli status byte non basta a terminare la condizione di SRQ che, si ricorda, blocca le comunicazioni sul dataway. Ciò avviene perché l’adc rimane satura e la generazione LAM attivata. Non è ancora possibile scaricare l’adc poiché si ha il dataway bloccato nell’esecuzione di alcuni comandi fra cui, per l’appunto, il download. L’esempio successivo darà le procedure per il download stesso.

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Uscita da SRQ su LAM di più 6810 in LAM contemporaneo.

Questa è una versione didattica, cioè con il procedure istruttive ma non necessarie. Si partedall’ultima procedura vista nell’esempio precedente, solo che ora le stazioni attivanti LAM sonogenerati da tre ADC sature gpib0: iblines[3164] ( end srqi cmpl rem cic lacs ) GPIB Lines: [36ff] ( SRQ REN NRFD NDAC )

gpib0: ibcmd "\x18"[1174] ( srqi cmpl rem cic atn lacs )count: 1


gpib0: ibrd 5[3164] ( end srqi cmpl rem cic lacs )count: 543 10 44 44 40 C . D D @


gpib0: iblines[1174] ( srqi cmpl rem cic atn lacs ) GPIB Lines: [72ff] ( ATN SRQ REN NDAC )



gpib0: iblines[3164] ( end srqi cmpl rem cic lacs ) GPIB Lines: [36ff] ( SRQ REN NRFD NDAC )

gpib0: ibcmd "\x18"[1174] ( srqi cmpl rem cic atn lacs )

La funzione di libreria iblines restituisce lo stato del bus gpib, mentre si ricorda che quello visualizzato tra parentesi è lo status byte della scheda PCI.Su Serial Poll, come si vede, si hanno i 5 byte indicanti più moduli in LAM posizionati nelle stazioni 5, 9 e 15.

Il comando

x40 dato al CC con etichetta 1 disabilita la generazione di SRQ su LAM del CC

ma come si nota non funziona poiché si deve effettuare un nuovo serial poll. Il CC blocca la disabilitazione della linea SRQI finchè il motivo originante il SRQ rimane attivo (in questo caso è il LAM) e è attiva la generazione di SRQ.

Col comando 41 si imposta il CC1 come obiettivo del serial poll, non si deve confondere col comando 40 che è un comando interno al CC.

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count: 1


gpib0: ibrd 5[2164] ( end cmpl rem cic lacs )count: 543 10 04 04 00 C . . .


gpib0: iblines[0174] ( cmpl rem cic atn lacs ) GPIB Lines: [52ff] ( ATN REN NDAC )

gpib0:8901a1: ibwrt "\xa\x0\x5"[0100] ( cmpl )count: 3






Il comando CAMAC annulla il LAM sulla adc satura in stazione 5, ponendola in condizione di poter comunque campionare (sovrascrivendo così i dati memorizzati)

Qua la procedura riattiva la generazione di SRQ su LAM da parte del CC1, è stato necessario disattivarlo poiché il comando di annullamento LAM precedente sarebbe stato rigettato dal dataway per i motivi sopra esposti. È necessario fare un ciclo di riattivazione e spegnimento SRQ su LAM per verificare la procedura di serial poll(didattico).

Come si nota da questo nuovo serial poll, la linea SRQI è stata disattivata dal serial poll stesso, ma i 5 byte uscenti indicano ancora i moduli in LAM. Questo fatto è rilevabile anche dalla variazione dei numeri degli status byte, data dall’abbassamento dei bit alti usati come flag indicanti l’SRQI. D’ora in poi verrà usata questa modalità per leggere gli status byte.

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8901a1: set gpib0




gpib0: ibrd 5[2164] ( end cmpl rem cic lacs )count: 543 00 04 04 00 C . . . .



gpib0:8901a1: ibwrt "\xa\x0\x9"[0100] ( cmpl )count: 3




8901a1: ibwrt "\x40"[0100] ( cmpl )

Il nuovo serial poll verifica che ho un modulo in meno lanciante LAM, verrà disattivato il LAM anche sulle altre due adc con modalità esattamente uguali fino ad ottenere status byte indicanti che tutte le stazioni non sono sature.

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count: 1


8901a1: $ d:\lf\sp1.txt

8901a1: set gpib0




gpib0: ibrd 5[2164] ( end cmpl rem cic lacs )count: 543 00 00 04 00 C . . . .



gpib0:8901a1: ibwrt "\xa\x0\xf"[0100] ( cmpl )count: 3


8901a1: ibwrt "\x41"[0100] ( cmpl )

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count: 1


8901a1: set gpib0

gpib0: iblines[2164] ( end cmpl rem cic lacs ) GPIB Lines: [16ff] ( REN NRFD NDAC )



gpib0: ibrd 5[2164] ( end cmpl rem cic lacs )count: 503 00 00 00 00 . . . . .



Come voluto, il serial poll non individua più nessun modulo in LAM, il primo byte è lo status byte indicante X, Q e la presenza di SRQ. In questo caso determina solo un regolare trasferimento dati e comandi.

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Setup 6810 su ADC posta in posizione 3 su CC a canale 2

In questo esempio viene illustrato come il modulo fornisce i dati di setup, contenuti nei registriappositi. La sequenza dei byte è formata dai primi 32 relativi al setup il cui controvalore èpossibile decifrarlo tramite uno schema posto sul manuale, il 33° fornito dalla verifica interna dicoerenza di questi, il 34° dalla somma (modulo 256) dei precedenti, il 35° indicante lo stato deiled frontali ed i successivi sei da un test di basso livello. Il 42° è lo status byte.La lettura dei dati presuppone una preparazione degli stessi da parte del modulo, evidente dalcomando

ibwrt "\x12\x0\x3"esso include le informazioni su quale segmento di memoria orientare la lettura.


8901a2: ibrd 4[0100] ( cmpl )count: 400 00 00 00

8901a2: ibwrt "\x12\x0\x3"[0100] ( cmpl )count: 3

8901a2: ibrd 4[0100] ( cmpl )count: 400 00 00 00

8901a2: ibwrt "\x2\x1\x3"[0100] ( cmpl )count: 3

8901a2: ibrd 42[0100] ( cmpl )count: 4200 03 04 04 03 01 00 0001 00 00 8d 32 00 04 0002 61 74 9f 9f 00 00 0200 fe 01 01 00 00 09 0100 00 0b 10 00 00 00 64de 00

Impostazione lettura in block mode a piena velocità CAMAC.

Preparazione alla lettura di Setup della 6810 installata nella stazione 3.

Lettura tramite comando (2)(1). Sono 42 byte dal byte 0 al byte 41. Sono ordinati correttamente (la verifica sono gli ultimi 6 byte che identificano l’Internal Diagnostic Test).

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Lettura di un segmento di memoria di campionamento

In questo caso verrà letto il 5° segmento di memoria di campionamento, lungo 2048 punti, delcanale 1, posto su ADC collocata nella stazione 3. Si avrà di conseguenza un comando dipreparazione alla lettura e il download di 4096 byte, essendo un punto di campionamento lungo12 bit e interpretato da 8901 come dato binario di tipo short, lungo 16 bit. Il CC aggiungerà diconseguenza 4 bit nulli in testa ai 12 ricevuti nel ciclo CAMAC.

8901a2: ibwrt "\x12\x1\x3\x5"[0100] ( cmpl )count: 3

8901a2: ibrd 4[0100] ( cmpl )count: 400 00 00 00

8901a2: ibwrt "\x2\x1"[0100] ( cmpl )count: 2

8901a2: ibrd 4097[0100] ( cmpl )count: 4

04 03 04 04 03 01 00 0001 00 00 8d 32 00 04 0002 61 74 9f 9f 00 00 0200 fe 01 01 ……omessi…………………….. 00 01

Comando di preparazione alla lettura del 5° segmento di memoria del canale 1 dell’adc in stazione 3. Si nota la tipologia di comando del tipo (F,A,N,W1)

I byte letti sono da raggruppare a due a due per creare lo short corrispondente. L’acquisizione li somma in binario shiftando il most significant byte di 12 bit.L’ultimo byte è quello di status.

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IV.V La struttura del programma software

Il programma software è stato sviluppato nell’ambiente di programmazione National InstrumentsLabWindows\CVI in linguaggio C con compatibilità al compilatore Borland C\C++. Essa èdenominata “BrainAcquire” consiste, a livello di struttura generale, in:

- una interfaccia grafica, codice sorgente e header relativo progettati e prodotti ab initio,- librerie di controllo crate controller LC8901A-LC6810, in parte rielaborate e riscritte,- librerie standard di supporto programmazione ANSI e National Instruments

Inoltre essa usa programmi esterni, sempre prodotti ab initio, di trattamento e conversionenumerica dei dati da essa prodotti:

- programma di conversione e trattamento specifico del formato acquisizione“BrainConvert”

- programma di acquisizione dati in temperatura (fino al °mK) da termometri a fase liquida“BrainHot”, con controllo sugli strumenti:

o Multimetro HP34401o Sistema di misurazione di precisione AVS-47

Gli elementi appartenenti al progetto di acquisizione software “BrainACQ” sono:− Codice principale:

scopeinterrVIII.c ∼ 6000 righe scopesuperplus.h ∼ 500 righe scopesuperplus.uir contenente:

- pannello principale avente 230 elementi (fra controlli, indicatori e decorativi)- pannello gestione avanzata del setup a 9 elementi- pannello gestione baseline a 40 elementi- pannello di visualizzazione segnale e spettro a 114 elementi

− libreria controllo LC8901A-LC6010: lccamac.h (modificata) 50 righe lccamac.c (modificata) 980 righe lccamac.fp (modificato) 15 pannelli funzione

− libreria controllo LC6810: lc6810.h (modificata) 47 righe lc6810.c (modificata) 800 righe lc6810.fp (modificato) 19 pannelli funzione

− header standard programmazione in linguaggio C, NI LabWindows\CVI utility.h formatio.h ansi_c.h gpib.h analysis.h cvirte.h userint.h

I programmi di supporto sono invece così costituiti:− “BrainConvert”

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ConversionII.c 670 righe ConversionII.h 60 righe ConversionII.uir a singolo pannello a 24 elementi

− “BrainHot” puntifix.c 350 righe puntifix.h 61 righe puntifix.uir 2 pannelli con, in totale, 25 elementiBrainHot si appoggia alla seguente libreria standardhp34401a con circa 30 pannelli funzionementre le comunicazioni con l’AVS sono effettuare tramite chiamate standard GPIB inseritenel codice principale di BrainHot

La sequenza di operazioni base per l’invio di un comando, come quelle esplicate negli esempi, ègestita nel codice da funzioni di libreria le quali verificano la possibilità di invio comandi(controllando i dati inviati, trattandoli se scritti in formato non numerico, controllando se ildataway non sia occupato ecc…) ed effettuano la comunicazione fra gli elementi hardware. Nelsorgente principale, invece, vi sono funzioni dette di “alto livello” che leggono i dati impostatisull’interfaccia grafica, inseriti in formato detto “umano” (p.e. il valore di soglia trigger espressoin volt) oppure gestiscono i dati dalle librerie per fornire un output visivo, sonoro o di tipoelettronico9. Quando queste funzioni usano dati per il controllo o la comunicazione dei varistrumenti, allora trattano e convertono detti dati, riducendoli ad un formato utile alle funzioni dilibreria, le quali vengono dette di “basso livello” poiché sono adibite al trasferimento dei dativerso i moduli, preoccupandosi di problematiche di interfaccia fra il PC e gli strumenti.

Si vorrà analizzare il sorgente principale di BrainAcquire, creando uno schema a blocchi,isolando elementi topici del programma e studiando in dettaglio le parti di codice ad esseassociate. Successivamente si vorranno evidenziare lo sviluppo delle librerie rispetto a quellestandard e fornire un manuale d’uso.Il grafico a blocchi più semplice descrivente il livello più alto del sistema di acquisizioni è quellosottostante:

9 P.e. la creazione del file relativo ai dati di misura oppure il grafico dello spettro di rumore degli stessi, visualizzatosull’interfaccia grafica

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IV.V.I Interfaccia grafica La parte più comprensibile risulta ovviamente quella relativa all’utente; questi utilizza il mouse ola tastiera per modificare i valori dei vari controlli posti sull’interfaccia grafica del programma.Essa è detta in acronimo GUI (Graphical User Interface) ed è in parte un analogo software di unpannello di controllo di una qualsiasi strumentazione scientifica, ma maggiormente versatile inquanto dialoga sia con la parte software dell’acquisizione sia con quella hardwaredeterminandone le procedure operative. Queste ultime diventavo modificabili nel tempo tramitesia la riscrittura del sorgente sia la ridefinizione grafica della GUI, a costo praticamente nullo emolte volte superando i limiti intrinseci degli strumenti hardware. Inoltre la GUI è uno strumentomultimediale con quale agire nell’ambito del sistema operativo che equipaggia il computer,ampliando così la versatilità dell’output dati e dei processi.La schermata con la quale si presenta l’acquisizione in oggetto, quando è presente unicamente ilpannello principale, è la seguente:

Modulo 8901A

UTENTE

Tastiera Mouse

Interfaccia Grafica

CODICE

CVI CALLBACK

Modulo 8901A

Comandi GPIB

Comandi CAMAC

Video Funzioni output

Interrupt SRQ-Dati

LAM Dati

Memoria di massa COMPUTER

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Essa è formata da più pannelli, uno detto padre e gli altri figli, sovrapposti gli uni agli altri erichiamabili tramite la pressione sui controlli adeguati o, più in generale, gestiti dal sorgente. Ilpannello forma l’ambiente su cui vengono installati gli elementi grafici come i bottoni, gliinterruttori od i controlli numerici. Questi rivestono un ruolo dinamico nell’acquisizione ossiapossono essere nascosti, dimmati10 e cambiati di forma, contenuto numerico e significato inrelazione alle esigenze di codice.L’interfaccia grafica gestisce il flusso dati da e per l’utente dal codice attraverso la suddettamodifica degli elementi di GUI. Per gli elementi definiti di setup, ossia il cui valore o significato modifica l’hardware od ilfunzionamento del software, non esistono di fondamentali se non in forma. Ad essi sonoassociate di solito due o più scelte discrete fra valori numerici o di testo ai quali esiste sempre ècomunque un corrispettivo numerico fisso passato al software. Una parte di questi comandi èrappresentata dai numerici, il cui valore è impostabile a passi discreti, entro un range massimo eminimo. Questi passi sono di solito 256 per il setup 6810, essendo il codice macchina 6810definito da valori char.Per quanto riguarda i valori associati ad elementi GUI, gli incrementi sono generalmente definitidal tipo ANSI di valore del numerico.L’interfaccia grafica fornisce un metodo passivo di controllo range; qualora il valore inserito nonsia entro l’intervallo corretto, essa inibisce l’esecuzione del callback unitamente ad unavisualizzazione grafica del problema. Questo sistema è stato utilizzato per eliminare tutti i cicli dicontrollo del valore di setup verso i moduli e gli elementi di codice associati, riducendo leoperazioni per singolo callback o chiamata, diminuendo il tempo morto software mediamente diun 15 %. Per ogni controllo esiste un valore di default corrispondente al valore diinizializzazione delle variabili globali associate nel codice; la scelta dei valori di default è statadeterminata da esigenze di codice, per quelli di setup GUI, e per sicurezza hardware nel caso di

quelli ad esso relativi.

Nella presente acquisizione la scelta di una rappresentazione classica a più pannelli nascosti, èdovuta al necessario raggruppamneto logico di comandi associati a funzioni particolari, differenti10 Oscurati, cioè empossibilitati ad essere premuti

Figura IV-3 - Pannello principale della GUI del software BrainAcquire

GUI

Elementi Setup

Numerici a tendina Numerici impostabili Traslatori numerici Interruttori Bottoni on-off Traslatori a scelta multipla Tendine a scelta multipla

Elementi Esecutivi

Bottoni Commit o d’esecuzione Pannelli popup di scelta

Gestione memoria di massa tramite

popup

Gestione programmi esterni

di massa

Visualizzazione Informazione

LED Popup Indicatori numerici Indicatori a stringa Indicatori a box di testo Display grafici

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dal normale uso acquisizione. I controlli a finalità simili sono stati così posti su uno specificopannello e l’invidiabile estetica è stata studiata per evitare anacronismi artistici con la partehardware.

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La struttura della GUI è riassunta in questo elenco, unitamente alle attività associate ai pannelli:Pannello principale BrainAcquire:

Inizializzazione e controllo comunicazioni PCI-GPIB-CAMACSetup e controllo hardwareGestione metodologie di download e trattamento datiVisualizzazione dei segnali uscenti da tutti i canali del sistema di acquisizione e loro gestione

graficaFinestra di comunicazione del sistema all’utente(con funzionalità di run-book)Controllo operazioni di acquisizione dati e degli automatismi associatiOperazioni con programmi esterniGestione del software nell’ambiente windows

Pannello setup avanzatoPannello di presa linee di base

Parametri di selezione delle linee di baseGestione dell’acquisizione linee di baseGestione della visualizzazione

Pannello di visualizzazione estesa5 display di funzione d’onda, uno per singolo campionatore (modalità singolo crate o sistema

totale)Gestione visualizzazioneParametri di controllo e gestione visualizzazione dello spettro di potenza d’onda

Richiamabile dai bottoni del pannello principale si ha il pannello del programma di conversionedati, il quale verrà esteso ad un innovativo sistema di trigger software in linea dei datid’acquisizione, a tempo morto virtualmente nullo.Il programma di trattamento e conversione dati agisce operando operazioni di taglio econversione binaria sui file prodotti. Esso consta di:− Pannello principale BrainConvert

Gestione dei byte da convertire o da tagliare Modalità di funzionamento Scrittura header file

Il sistema di acquisizione integra un programma di acquisizione separata dei dati da un AVS e daun multimetro, utilizzata per la raccolta dati da un sistema di calibrazione e valutazione ditemperature discrete (cioè a punti fissi), effettuato tramite l’analisi di parametri elettrici forniti davariazioni di fase di liquidi criogenici. Anche detto sistema è visualizzato tramite un unicopannello:− Pannello principale BrainHot

Gestione dei byte da convertire o da tagliare Modalità di funzionamento Scrittura header file

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Pannelli figli e di programmi esterni

Pannello setup avanzato

Pannello raccolta BaseLine

Pannello BrainConvert

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Pannello visualizzazione estesa

Pannello BrainHot

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IV.V.II Struttura del codice I vari elementi dell’interfaccia grafica, fatta eccezione di quelli decorativi, sono le possibilità diinput e output che offre l’interfaccia stessa; suddetti elementi vengono generalmente chiamaticontrolli e relativamente al loro uso, corrisponde una unica funzione nel codice che vienechiamata CALLBACK, attivata in modalità differenti a seconda dell’evento associatoall’operazione di input sull’elemento di interfaccia grafica. Questi callback operano comefunzioni attivate in maniera asincrona e disgiuntamente alla funzione MAIN. Quest’ultima è lafunzione di apertura del programma alla quale viene meramente demandato:

- un semplice setup iniziale delle variabili globali,- un salvataggio delle variabili preimpostate sull’interfaccia grafica, per il ripristino delle

stesse durante le operazioni di messa in linea dei moduli- l’attivazione dell’interfaccia grafica- le operazioni di chiusura programma

Successivamente alla partenza ed alla esecuzione della MAIN ed allo standby della stessa, siattiva la possibilità di accedere a funzioni di callback asincrone:

- callback attivati da eventi di interfaccia grafica- callback attivati da interrupt generati dagli strumenti (una volta partita l’acquisizione dati),

questi vengono prodotti dall’azione della linea di interrupt SRQI del modulo 8901Ainnescata da un LAM del modulo 6810 durante un’acquisizione dati.

Ad ogni diverso input di mouse o tastiera, in relazione alla tipologia dell’elemento di interfacciache virtualmente si preme o si modifica ed a come si esegue la detta pressione virtuale, vengonoassociati diversi tipi di eventi; quelli considerati dal sorgente sono del seguente tipo:

- Evento LEFT_CLICK = pressione tasto sinistro del mouse su un controllo- Evento RIGHT_CLICK = pressione tasto destro del mouse su un controllo- Evento DOUBLE_LEFT_CLICK = due pressioni consecutive e veloci del tasto sinistro del

mouse su un controllo- Evento DOUBLE_RIGHT_CLICK = due pressioni consecutive e veloci del tasto destro

del mouse su un controllo- Evento COMMIT = rilascio del tasto sinistro dopo una pressione su un comando o enter

tastiera- Evento VAL_CHANGED = variazione del valore da un numerico sia tramite l’immissione

diretta da tastiera che dall’utilizzo delle frecce di incremento o decrementoEssi si attivano secondo il seguente diagramma funzionale:

int CVICALLBACK ControlResponse (***)if (control == PANEL_CONTROL1) switch (event)

case EVENT_RIGHT_CLICK :. /* Code that responds to a right */ . /* click on CONTROL1 */break;

case EVENT_VAL_CHANGED : . /* Code that responds to a value */ . /* change on CONTROL1 */

break;case EVENT_COMMIT :

. /* Code that responds to a commit */ . /* event on CONTROL1 */ break;

Figura IV4 - Diagramma funzionale di callback e relativo codice89


Sulla destra di precedente, viene espansa la struttura generalizzata di elemento di codice relativoal controllo “Control1” chiamante la funzione di callback “ControlResponse”, la quale riconoscetre tipi di evento e si aziona in modalità differenti a seconda dell’evento originatore.L’ambiente software prevede altri tipi di evento, ma essi si sono rivelati superflui per l’uso che siintendeva fare dell’acquisizione.Gli eventi hanno ordini di precedenza fra loro a seconda del controllo che li origina, ad esempioLEFT_CLICK precede temporalmente COMMIT nel caso di bottoni d’esecuzione. Questaparticolarità è stata sfruttata per l’esecuzione di uno stesso callback (controllante di conseguenzale stesse variabili locali) ma in due sessioni separate e successive cosicché nella prima sessione sipretrattavano i dati, non modificabili per ragioni di codice nella seconda sessione.Come si vede in , gli eventi permettono di classificare la tipologia del comando e di differenziarela risposta del codice in funzione ad esso. Ad ogni controllo può venire associato, al massimo, uncallback; più controlli possono chiamare uno stesso callback. Usualmente, le funzioni operanticon i controlli richiedono almeno tre parametri: il pannello su cui è installato il controllo, il nomedello stesso ed il tipo d’evento associato. A questi corrispondono tre numeri, uno dichiarato nelloheader standard della NI che definisce i tipi di evento e gli altri due dichiarati nello header delcodice sorgente tramite dei define. Nel caso di un controllo chiamante, questi tre numeri sonomandati al callback tramite le tre variabili globali “panel” e “control” e “event”, le qualivengono usate per la discriminazione dei controllo chiamante stesso. Un esempio è la gestionedei dati dell’interfaccia grafica, la quale avviene tramite due funzioni, una che raccoglie il datodal controllo (GetCtrlVal) e l’altra che glielo impone (SetCtrlVal); entrambe devono avere, neiprimi due parametri, il numero pannello e il numero controllo più un terzo che sarà assegnato alvalore numerico. Anche i pannelli stessi sono soggetti a generare eventi di tipo LOST_FOCUS oGOT_FOCUS, corrispondenti alla loro deselezione o selezione, ed eventi di tipo movimento o diriscalamento, tipici della gestione finestre dei sistemi operativi.

Tipicamente, all’attivazione di un callback, il codice processa le seguenti azioni:- Individuazione del tipo di evento secondo uno switch-case- Individuazione del controllo chiamante

Di norma si rende attivo così una sola parte di codice, esclusiva per il tipo di evento e dicontrollo chiamante; solitamente l’esecuzione del callback continua nel seguente modo:

Raccolta dati impostati sull’interfaccia grafica e nei moduli Elaborazioni numeriche e logiche tramite l’ausilio di funzioni innestate Variazioni di variabili globali e comunicazioni gpib di output

Quasi sempre in un processo separato e quindi non riducente il tempo morto generatoda lentezze in comunicazione con gli strumenti, si eseguono: Scrittura su memoria di massa Modifica dell’interfaccia grafica tramite variazioni numeriche e di aspetto

Nella stesura del codice si è utilizzato un metodo ibrido nel quale i callback attivano processiindipendenti da essi, in thread separati, il caso tipico è quello della gestione download datiasincrona, che verrà trattata separatamente per la complessità dell’operazione.

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Esempio: inizializzazione scheda PCI-GPIBUn esempio può essere l’inizializzazione della scheda PCI-GPIB, dove due controlli, essendo giàdiscriminati fra loro (il bottone d’esecuzione genera eventi COMMIT, il numerico genera eventiVAL_CHANGED, il RIGHT_CLICK su uno qualsiasi dei due fornisce un guida valida perentrambi) permettono tre esecuzioni di codice differenti. Generalmente, durante il callback,vengono gestiti parametri relativi ai comandi di possibile attuazione. Questa possibilità di agiresu un comando stesso è subordinata allo stato, dimmato o nascosto, del controllo; esso vienecontrollato dal codice con la finalità di regolamentare l’utente avente attributi di cliccaggiorapido ed ergodico.

int CVICALLBACK GpibController (int panel, int control, int event,void *callbackData, int eventData1, int eventData2)

switch (event)

case EVENT_COMMIT:

lecCAMAC_init (ccaddress,INI_GPIBC);if ( lecCAMAC_err !=0 )

MessagePopup ("Define GPIB board name",

"Excuse me, I have not found the GPIB board.\nCould you enter the number of YourBoard\nin the GPIB number dialog?\n\n(Example: For GPIB0 you must enter 0)");

break;

ibconfig (brd0, IbcAUTOPOLL, 0);SetCtrlAttribute (panelHandle, PANEL_INI_GPIB, ATTR_DIMMED, 1);SetCtrlAttribute (panelHandle, PANEL_GPIBC, ATTR_DIMMED, 1);SetCtrlAttribute (panelHandle, PANEL_INICC_BUTTON, ATTR_DIMMED, 0);SetCtrlAttribute (panelHandle, PANEL_OFF_LINE, ATTR_DIMMED, 0);break;

case EVENT_VAL_CHANGED:GetCtrlVal (panelHandle, PANEL_GPIBC, &gpibn);sprintf (gpibname, "GPIB%d", gpibn);break;

case EVENT_RIGHT_CLICK:MessagePopup ("Error Codes", "0 No error occured\n"

"220 Unable to open device\n" "221 Unable to close device\n" "223 Device identification query failed\n" "230 GPIB write error\n" "231 GPIB read error\n" "232 Device not initialized\n" "300 Could not clear device\n");

break;

return 0;

Funzioni di libreria che

Gestione oscuramento bottoni GUI

Raccolta indirizzo PCI-GPIB residente sull’interfaccia grafica, in questo caso GetCtrlVal raccoglie il dato dal numerico installato sul pannello denominato panelHandle e appartenente al controllo chiamato PANEL_GPIBC

Sequenza di informazioni applicate ad un pannello di popup istantaneo all’azione del tasto destro del mouse su qualsiasi dei due controlli in figura.

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IV.VI Manuale d’uso e codice

In questa sezione verranno illustrati i comandi operanti sull’interfaccia grafica e, nei casi topici,verrà anche commentata la parte di codice associata, fornendo informazioni in merito aparticolari procedure di programmazione.I due compiti verranno suddivisi due settori distinti sotto lo stesso paragrafo, in modo tale chel’utilizzatore possa evitare di confondersi con particolari tecnici relativi al codice.Qua sotto viene riproposto il pannello principale diviso a blocchi, raggruppanti comandi asignificato affine. Cliccando su un diverso settore, si arriverà alla parte di manuale

corrispondente.

-Rosso = parte di controllo egestione comunicazioni fra imoduli-Verde = impostazione setup6810-Azzurro = informazioni edisplay grafico-Giallo = gestione econtrollo memoria di massae acquisizione dati-Nero = controllovisualizzazione etrattamento dati-Fucsia = gestioneprogramma

IV.VI.I Campo Blu – Informazioni e display grafico Questa parte è relativa alla messaggistica interessante l’acquisizione grafica. Essa è compostaessenzialmente il tre tipologie di output:

− Popup di conferma− Box di testo per le informazioni d’uscita delle funzioni− Numerici d’informazione− Display grafici per la visualizzazione del segnale in tempo od in frequenza

Popup di sistema

Essi entrano in gioco quando è necessario richiamare l’attenzione su una particolare proceduraoppure fornire i messaggi della guida on line, ottenuti premendo il tasto destro.In particolare, essi vengono prodotti su errori che necessitano una correzione manuale delsistema, includendo le possibili cause ed i possibili rimedi.Un messaggio di Popup viene lanciato alla chiusura del run, con il log relativi; lo stesso tipo dimessaggio viene riproposto sul box di testo.

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Numerici di informazione

Già incontrati nei campi di comando precedenti, sono esclusivamente dei visualizzatori informato numero di:

− valori di setup 6810 definiti da controlli grafici con numeri associati di tipo macchina;nei numerici di informazione viene visualizzato il controvalore in unità di secondi o volt,

− conteggi di controllo− valore cursori nel display grafico

Box informazioni

Il box bianco è utilizzato da tutte quelle funzioni che hanno un’uscita di informazioni riguardo a:− Inizializzazione Gpib e moduli riconosciuti (Crate Contr INIZ)− Inizializzazione moduli ADC ( Common Selected INI)− Funzioni di gestione segmento e frequenza di campionamento: vengono indicati i limiti

dei parametri della configurazione scelta e le correzioni apportate− Uscita setup e efficienza di utilizzo memoria (comandi relativi al setup)

Per uscita setup il byte emesso è quello della funzione verify setup, se zero indica chel’operazione si è conclusa con successo, mentre se differente da zero segnala che qualcheparametro era erroneo. Sul manuale è presente il codice di decrittazione; un errore, dinorma, è determinato da una comunicazione fallita, di conseguenza basta unainizializzazione del modulo e/o un nuovo invio setup per far ritornare operativo ilmodulo.

− Lettura setup in formato numerico da memoria modulo− Errori su allocazione dinamica della memoria− Errori su funzioni di armamento trigger− Messaggi di informazione data-orario e parametri relativi alla presa dati− Log e posizioni dei file scritti (runbook, dati, header dati, setup, baseline)

Box

Display

Posizione

Posizione

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Display grafico

Esso visualizza la forma d’onda scaricata o lo spettro di potenza della stessa, in funzione dellatipologia di download. Il display visualizza tutti gli impulsi provenienti da tutte le adc di tutti icrate campionanti i cui canali sono stati selezionati per la visualizzazione dal gruppo diaccensione traccia. Quello del pannello principale ha associato una scala verticale fissa contacche graduate relative al valore di fondoscala; la scala orizzontale invece, espressa in secondi,viene calcolata per ogni impulso. Il segnale sul display può esser ingrandito e decentrato tramitela seguente combinazione:

− un doppio click con il tasto destro sul display, ingrandisce quest’ultimo a dimensioni dipannello, un ulteriore doppio click ripristina le dimenzioni originarie

− per ingrandire, mantenendo invece il display a dimensioni ridotte, bisogna tenere premutoil tasto ctrl della tastiera e contemporaneamente il tasto sinistro del mouse sul punto daingrandire (poi si può rilasciare il tasto ctrl). La risoluzione incrementerà dinamicamentefinche non verrà rilasciato il pulsante del mouse o dopo aver cliccato quello destro.

− per rimpicciolire, si esegue la stessa procedura per l’ingrandimento ma con il tasto destrodel mouse

− per traslare il grafico, bisogna cliccare col tasto sinistro sul punto da traslare mantenendopremuto la combinazione da tastiera (ctrl+shift), indi trascinare

− per ripristinare il caos generato dall’utilizzo di questi comandi, basta premere lacombinazione da tastiera (ctrl+barra spazio)

Indicatori Xpos-Ypos = I due numerici posti sotto al grafico sulla destra individuano la posizionedel cursore, trascinabile nel grafico, ed i numeri vengono espressi nelleunità degli assi del grafico. Per il refresh dei numerici occorre muovereil cursore.

Traslatore Persistence = imposta il numero di tracce consecutive, provenienti da tutti i canalirappresentati sul display, che vengono lasciate su quest’ultimo. Il valore minimo “None” indicache la traccia sul display verrà cancellata al presentarsi della traccia successiva. Il valoremassimo “Inf” di tracce rappresentabili è invece determinato dalla memoria che CVI assegna aidati di grafico.

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IV.VI.II Campo Rosso - comandi di controllo e gestione comunicazioni moduli

Questa parte è preposta al controllo basico delle funzioni di comunicazione, in essa sono posti i

numerici di selezione degli indirizzi dei moduli, i bottoni di inizializzazione, di messa in linea edi selezione degli stessi.

Settore 1 - Gpib Contr

Questo settore imposta, attraverso il numerico, l’indirizzo della scheda PCI-GPIB associatatramite il programma di setup PCI fornito con il pacchetto NI-Measurement Studio. Il bottoneINIZ è di esecuzione, alla pressione di questo si inizializza la scheda PCI, la si pone come CIC ele variabili di comunicazione vengono intestate ad essa.Una volta premuto il bottone INIZ, questi viene dimmato se non vi sono problemi dicomunicazione, altrimenti si può ripetere la procedura cambiando indirizzo nel numerico.Il tasto destro su entrambi fa apparire la lista dei possibili messaggi d’errore di libreria associatiall’inizializzazione.

Settore 2 – Crate Contr

Bottone INIZ = effettua un inizializzazione generale, ponendo le variabili globali a valori didefault se il modulo era già stato inizializzato. Fa una scansione automatica deimoduli nel crate ed imposta i valori di stazione automaticamente per i moduliriconosciuti, toglie gli oscuramenti su alcuni bottoni per procedere al setup delsistema ed imposta elementi di interfaccia.

Bottone OFF = interrompe il processo di acquisizione del crate, eliminando i LAM senzacancellare la memoria dei moduli campionanti e disabilitando la generazione diSRQ tramite il comando Initialize dello standard GPIB. Libera la memoriadinamica eventualmente occupata. Per poter riattivare il CC messo fuori linea sideve effettuare una nuova procedura di inizializzazione. Questo comando lo siusa qualora sia necessario spegnere un crate per manutenzione o semplicementeper disabilitarlo dalla presa dati, incrementando così le capacità dicomunicazione degli altri.

1 - Inizializzazione e controllo scheda PCI-GPIB

2 - Inizializzazione, messa in linea e controllo scheda PCI-GPIB

3 - Stazione di riferimento delle 5 ADC installabili e relativi nomignoli di riconoscimento

4 - Selettori per l’invio dei comandi comuni

5 - Comandi comuni

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Numerico = Esso seleziona l’indirizzo del Crate Controller, che nella fattispecie è il moduloLC8901A. Il sistema adottato su questa acquisizione vuole che un unico pannelloprincipale, compresi i suoi figli, gestisca tutti i crate (fino a 32) attivabili sulcanale gpib della scheda ad esso associato. Così facendo, alla variazione delnumero su numerico in discussione il pannello principale ed i figli si settano suivalori associati ai moduli presenti nel nuovo crate selezionato, con le seguentimodalità:

se il CC di nuovo riferimento è già inizializzato ed in linea, accade che:• tutti i comandi comuni vengono riferiti ai moduli LC6801

contenuti nel crate selezionato• si reimposta tutta l’interfaccia grafica sull’ultimo setup GUI

eccetto quella relativa al setup 6810• se il bottone SSA era premuto, allora si reimposta tutta l’interfaccia

grafica relativa all’ultima adc attiva e selezionata tramitel’interruttore adcsel

nel caso che il CC non sia stato ancora inizializzato, allora il si riassettanosolo degli attributi di alcuni elementi di interfaccia, ma il resto del setupviene mantenuto per velocizzare le operazioni di messa in linea crate asetup comune.

LED = È un indicatore dello stato di funzionamento del CC selezionato, si attiva dopo la primainizializzazione con colori differenti avente il seguente significato:- Nero – il CC selezionato non è stato ancora attivato- Verde – il CC selezionato è stato inizializzato ed è operativo- Rosso – il CC selezionato è stato messo fuori lineaIl tasto destro tutti eccetto il LED, fa apparire la lista dei possibili messaggi d’errore dilibreria associati all’inizializzazione.

Settore 3 – Stazioni e nomi ADC

I moduli 6810 occupano 4 stazioni e, fra queste, quella preposta alle comunicazioni CAMAC èidentificata sul pannello frontale del modulo tramite la lettera “N” seguita da una freccia; ilnumero di stazione, nel crate, corrispondente a questa posizione è il numero della stazione diriferimento. In questo software, l’identificazione dei campionatori è tramite il paradigma ADCn,dove n è un numero da 1 a 5 identificante l’ADC partendo da quella a stazione di riferimentominore (p.e. ADC1 è la prima ADC contando dalla sinistra guardando la parte anteriore delcrate). Siccome è possibile installare al massimo 5 ADC sul crate più grande, allora sono statiinstallati 5 numerici per poter identificare le relative ADC. Il numero della stazione viene settatoin automatico dalla procedura di inizializzazione crate, comunque è conservata la possibilità dimodificare il numero stazione o la sequenza di come queste vengono chiamate dal CC (p.e. perconservare consecutività nell’identificativo canali fra due ADC non in sequenza sul crate). Adogni ADC può essere associato un nome caratteristico distingue l’ADC anche fuori dal crate,esso può essere inserito nel controllo a riga di testo allineato al numerico.

Settore 4 – Selezione per operazioni comuni ADC

Per poter ottimizzare la velocità e la semplicità di impostazione del setup hardware evitandoridondanze e processi ball-compsuming, è stato sviluppato un sistema di invio comune deicomandi (sia setup che di controllo) a quei moduli che necessitino di procedure uguali. Questoavviene spostando verso destra la levetta dell’interruttore corrispondente ad uno o più moduli e

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lanciando poi il comando scelto fra quelli di gestione comune e di trigger software. Ilfunzionamento di questo dispositivo a cinque leve è utilizzato anche per la presa dati di baselineed in generale per tutti quei comandi direzionali. All’uscita di un comando comune la posizionedell’interruttore, e di conseguenza la selezione dell’ADC può cambiare in funzione del tipo dicomando. I LED al fianco forniscono colori differenti in funzione dello stato in cui viene postal’adc, qualora i selettori siano su off; in alcuni casi (p.e. su un errore in invio setup) lo stato vieneriportato sul LED anche a selettore acceso.Colore LED

− Nero = nessuna selezione accesa, il modulo non ha processi di tipo comune pendenti el’azione di un comando comune non ha nessuna azione sull’ADC corrispondente

− Rosso = l’ADC corrispondente è stata selezionata o è selezionata per un comandocomune non ancora eseguito

− Verde = l’ADC ha già subito un comando comune andato a buon fine; questa può essereselezionata o meno in funzione della procedura precedente

− Giallo = l’ADC è stata disattivata: durante un run essa non campiona poiché salta la fasedi download dati. Questo stato è quello in cui viene messa dopo un reset CAMAC equando non ha canali attivi.

− Blu = uno o più parametri dell’ultimo invio setup 6810 non hanno passato la verifica sulmodulo corrispondente e sono stati impostati a valori di default. Può accadere su alcunimoduli il cui ricevitore CAMAC è danneggiato oppure sull’invio di erronee impostazioniavanzate.

Settore 5 – Comandi comuni

Questi comandi servono alle procedure spiegate nel Settore 4, a cui si rimanda la lettura. Le adcselezionate tramite gli interruttori, saranno tutte soggette ad uno di questi comandi se verràpremuto il relativo bottone esecutivo.

Bottone INI = ferma l’eventuale acquisizione delle ADC selezionate, toglie l’eventuale LAM,le resetta il comando 6810 RESET, le disattiva, verifica l’ultimo setup ponendoeventuali valori erronei su quelli di default, fa il test diagnostico di basso livellovia hardware, riesegue la verifica setup e annulla tutti i puntatori a memoriaallocata dinamicamente, liberandola. Successivamente a ciò, riattiva il CAMACfacendo proseguire l’eventuale presa dati.

Send setup = prende i valori di setup 6810 visualizzati sulla GUI e li trasferisce ai moduliselezionati, creando le maschere software per rendere indipendente l’attivazionedei canali (non possibile su via hardware), calcola la lunghezza del segmento dicampionamento ottimale per il miglior utilizzo della memoria (massimaoccupazione), imposta le variabili per la modalità autotrigger (se attivata),memorizza il setup sulla matrice dei setup del sistema, tramite l’utilizzo dellefunzioni di libreria corrette, calcola i valori setup in formato CAMAC,, esegueuna verifica setup hardware, alloca dinamicamente la memoria per lo spettro dipotenza, predispone gli indicatori della GUI con elaborando i valori di setup6810 (p.e. quelli indicanti i volt per divisione dei display grafici), effettua lecomunicazioni di rito e di errore.

Rfh Setup = imposta l’interfaccia grafica con i parametri setup relativi all’ultimo della stessamemorizzato sulla matrice di setup del sistema. Legge direttamente dalla memoriadi tutti i moduli selezionati i valori CAMAC di setup, riproponendoli in formato

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umano sul box di log, pronti per un controllo di coerenza (p.e. questo è utile nelcaso di rigetto setup, per poter individuare i parametri erronei).

Save Setup = salva su un file le impostazioni di setup 6810 attraverso un popup di salvataggioclassico, al fine di richiamare in un tempo successivo l’impostazione. Oltre aquesti dati salva il gruppo data orario, l’identificativo run e il nome adc, sebbeneil file possa essere usato su una qualsiasi configurazione successiva del sistema.Per rendere attivo di nuovo questo il setup memorizzato sulla memoria di massa,esso necessita di essere rimesso nel programma tramite il comando Recall Setupdescritto successivamente, seguito da un invio setup ai 6810 selezionati. Il filesalvato ha estensione “stp”.

Recall Setup = tramite un popup di apertura file classico, si può effettuare un caricamento delvettore buffer di setup ed un refresh grafico della parte setup 6810 della GUIattraverso i dati di un precedente salvataggio di setup contenuti in un file (conestensione “stp”) generato dal controllo Save Setup. Successivamente a questo èpossibile lanciare un invio setup con questi dati verso i moduli selezionati. Alcaricamento del file viene effettuato un controllo di consistenza prima che i dativengano copiati nel vettore.

Bottone SSA = tramite questo bottone è possibile inviare, ad ogni modifica di setup 6810, unSendSetup automatico. Attivando questo bottone, esso rimane incassato ed èpossibile selezionare una sola ADC alla volta, mantenendo selezionata la primanel caso il bottone venga premuto mentre esisteva una selezione multipla diADC. Successivamente all’attivazione, viene fatto il refresh grafico del setup6810 relativo all’unica ADC selezionata. Di norma, l’invio in automatico delsetup viene fatto durante le fasi preliminari di presa dati, dove l’acquisizione èpartita ma la scrittura dati non è stata ancora abilitata. Con la detta modalità sipossono cercare i parametri di setup ottimizzanti la presa dati, attraverso unostudio sistematico sul segnale visualizzato. Successivamente a ciò si fa partire lascrittura dei dati sulla memoria di massa e si mantiene il setup invariato fino altermine della misura, conservando coerenza con i parametri del file di headermisura che verrà usato per la conversione degli stessi durante la loro analisi. Lamodalità di SSA è usata anche per le procedure di preparazione alla raccoltadelle baseline.

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IV.VI.III Campo Fucsia – Gestione programma

Testo a stringa Lock Command = serve per dimmare bottoni funzionali dell’acquisizione. Vieneusato a run attivo per impedire cambiamenti al setup GUI ed hardware. Al primo inserimento diuna stringa di testo composta al massimo da dieci caratteri, questa viene presa come password.Inserimenti successivi attivano e disattivano il dimming dei bottoni; per eliminare la password ènecessario una stringa di passpartout (per inserirne una nuova) oppure riavviare il programma.Per ricevere il passpartout è necessario contattare l’amministratore di sistema.

Bottone QUIT = chiude l’interfaccia grafica. In debug mantiene aperti i file temporanei e glistream a file e i buffer aperti non vengono scaricati. La legale terminazione avviene alla chiusuradella dell’ambiente di debug.

Bottone E.Q. = chiusura d’emergenza. Premere se in situazioni di criticità software.

Numerico Run Number = serve per intestare il nome file con un indice classificante il run incorso.

IV.VI.IV Campo Giallo – Controlli parametri acquisizione

In questa sezione vengono descritti i controlli delformato file e delle procedure di termineautomatico dell’acquisizione.

Bottone Start Run = alla sua pressione si apre unmenù di dialogo in cui si dovrà impostare ocreare la directory principale di salvataggio file.Successivamente verranno create lesottodirectory accessorie ed eseguiti i relativicontrolli di coerenza del filesystem e sul setup.L’inclusione di un crate successivo nel run puòessere fatto in qualsiasi momento tramite lapressione del bottone in oggetto; i dati verrannosalvati tutti nella stessa struttura di directory.Dopo queste procedure software, verrannoarmate le adc del crate selezionato.Bottone Stop Run = ferma l’acquisizione nelcrate in oggetto mantenendo attivi gli altri,

abortendo l’eventuale campionamento sulle adc attive. Successivamente, libera gli elementi dimemoria allocata dinamicamente e aggiorna gli header, per l’analisi offline, sull’ultimo setupimpostato. Se non vi sono altri crate attivi, si chiude definitivamente il run, aprendosi un popupcon i dati riassuntivi dello stesso; nel caso ci siano altri crate attivi, suddetti dati vengonomandati solo al box di informazioni.

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Chiusura automatica run

In questa versione del software è stato sviluppato un metodo di chiusura in automatico cheavviene per mezzo di limitatori sulla massima quantità di memoria di massa occupabile e sulnumero di cicli di download da effettuare. Ciò avviene tramite due comandi numerici il cuivalore fa scattare una procedura di chiusura run analoga alla pressione del bottone stop run;l’utilizzo di entrambi fornisce un controllo ottimale della memoria di massa.

Numerico N.Cycles = è il numero minimo di cicli che tutte le adc nel crate devono fare prima diterminare il run. Per conseguenza, le adc continueranno a campionarefinchè quella a rateo di download inferiore non supererà questo limite;ciò è stato fatto preservare studi di coincidenze temporali. Con ciclo sidefinisce il numero di segmenti di memoria adc scaricati per ognioperazione di download. Detto numero è uguale al numero di triggerinterni (controllo N.Trg) per il numero di canali attivi; esso diconseguenza è definito adc per adc.

Numerico Max #Bite/Run = è il numero di byte totale, per il crate selezionato, che il run puòsalvare sulla memoria di massa. Esso è da intendersi formato datutti i file creati nel run generati da tutti i canali attivi del crate.

Numerici Samp/file = sono il numero di trigger salvati nel singolo file prima della chiusura dellostesso e di una successiva apertura di uno nuovo. Questi controlli sonodivisi per adc, impostanti queste nel crate selezionato.

Indicatore #Cycles = indica i cicli compiuti da inizio run, dove con cicli si intende ciò che èdefinito in N.Cycles.

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IV.VI.V Campo verde - Comandi impostazione setup 6810

Questo pannello raccoglie i comandi di setup al modulo 6810 relativi all’acquisizione dati.Verranno descritti unicamente quei comandi software che prevedono l’implementazione diprocedure non previste dallo hardware e dalle librerie standard. Per i comandi canonici sirimanda al manuale fornito con il modulo stesso poiché le operazioni con i relativi controlli, nericalcano fedelmente la struttura operative ed i valori possibili associati. Questi comandi nongenerano eventi CAMAC a meno che il crate operi in condizione di SSA. La schermata a fiancoporta i controlli di setup che necessita un singolo modulo ADC; questi con i selettori del settore 4descritti nel paragrafo precedente, raccolgono virtualmente in un unico pannello i comandi percomandare tutti i moduli in un crate. Ciò, associato a quanto si è detto per il numerico del settore2, permette di controllare tutti i moduli e relativi canali, di tutti i crate del sistema di acquisizionedati. Lo stesso concetto è esteso alla parte di visualizzazione dati e informazioni.

Settore A – Selezione canali

Unitamente al settore B, esso è diviso in quattro parti, ognuna per singolo canale installato sulcampionatore. Il canale 1 è associato alla coppia di boccole BNC vicine alla sommità del modulo6810; la numerazione dei canali incrementa verso la parte inferiore dello strumento. In questosettore si attiva la possibilità di download del relativo canale, attivandolo. Ciò è sostanzialmenteuna maschera sui canali che normalmente sono attivati dall’ADC, come spiegato nella sezionedescrivente gli ingressi, superandone la limitazione, di fatto rendendoli indipendenti (dal punto divista del download). In altri termini, è possibile scaricare esclusivamente il 4°canale senza

A

B

C D E

F

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processare gli altri; ciò permette di non cambiare cablatura durante l’esperimento Esiste unbottone d’esecuzione con la scritta “Active” se il bottone non è premuto, sostituita dalla scritta“Deactive” qualora sia incassato; premendo il bottone si esegue il significato della scritta. Il LEDrosso si accende quando il canale risulta attivo. Siccome molti parametri dipendono dal numerodi canali, alla variazione sull’attività del canale partono numerosi processi di calcolo dei valori disetup. Per ogni adc viene usata una variabile chiamata “adcactive” il cui numero indica in binario,tramite flag, quali sono i canali attivi (p.e. 1011 indica che il primo il terzo ed il quarto sono icanali da scaricare; viene di conseguenza adcactive=11). Questa variabile in realtà è una matrice32x5, riassumente l’intero sistema di acquisizione. Il riconoscimento di una adc attiva avvienecontrollando che il valore di adcactive sia maggiore di zero mentre il riconoscimento del canalen-esimo attivo avviene tramite questa porzione di codice:

if ( (adcactive[ccaddress][adcnumber] & ( 1<<(n-1) ))==0 )

dove si confronta il bit 1 spinto di n-1 posizioni, con il binario associato ad adcactive.

Settore B e D

Questi comandi hanno il funzionamento esattamente corrispondente a quello descritto nelmanuale e nella parte introduttiva sugli ingressi. I numerici di informazione forniscono il valoriin Volt e secondi.

Settore C e F – Trigger, autotrigger e sincronizzazione ADC

I valori di soglia trigger sono relativi alle diverse modalità di slope del trigger descritte nelmanuale o nella sezione Trigger precedente, tanto esaustivamente quanto quelle riguardanti lasua sorgente. In quest’ultima è presente una parte innovativa, probabilmente mai tentata conquesti moduli, e la creazione di una modalità di autotrigger indipendente per ogni singolomodulo 6810 ed estesa a tutto il sistema di acquisizione. La modalità di autotrigger, ottenutatramite l’invio di segnali di trigger software, prevede che il modulo triggerato, una voltaacquisito il segnale nella finestra temporale predefinita, scarichi quest’ultimo ritornandoimmediatamente a campionare. Si ricorda che l’operazione di download può essere eseguitarappresentando il segnale sul display appropriato oppure scrivendolo nel file di salvataggio odentrambe le possibilità (comuni a qualsiasi segnale acquisito).La difficoltà è stata superata creando una modalità di download dati esclusiva per l’autotrigger,implementata tramite l’utilizzo di temporizzazione delle funzioni tramite la sequenza di eventiassociata alla variazione di questo elemento di setup. preimpostante alcuni dati di setupottimizzati per esso. Il callback relativo è questo:

int CVICALLBACK Par13 (int panel, int control, int event,void *callbackData, int eventData1, int eventData2)

switch (event)case EVENT_COMMIT:

sendsetupauto();break;

case EVENT_VAL_CHANGED:GetCtrlVal (panelHandle, PANEL_SETUP_13, &setup[13]);

if (setup[13] == 4)diffstp=2;trgsrc = 3;SetCtrlVal (panelHandle, PANEL_SETUP_2728, 1);setup[28]=1;SetCtrlAttribute (panelHandle, PANEL_SETUP_2728, ATTR_DIMMED, 1);

Parte relativa alla selezione di autotrigger con impostazione, ottimizzante la modalità, di parametri di setup e relativi controlli

Dopo che è stato valutato l’evento VAL_CHANGED, parte l’esecuzione del COMMIT, se questi non viene disabilitato da processi logici della _GUI, non includibili in singolo evento

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valuedlytrg();

elsediffstp=1;trgsrc = setup[13];SetCtrlAttribute (panelHandle, PANEL_SETUP_2728, ATTR_DIMMED, 0);

valuetrglevel();break;

case EVENT_RIGHT_CLICK:-omissis-break;

return 0;

Una volta fatta partire l’acquisizione, i moduli impostati in autotrigger cominceranno acampionare successivamente al lancio di un segnale di trigger software tramite il bottoneManTrg, previa selezione delle adc in autotrigger. Il comando software utilizzato dal bottoneManTrg è lo stesso utilizzato dalla parte di codice che gestisce i moduli in autotrigger: essolancia un comando CAMAC di trigger software che si impone nel 6810, anche se è operativa unamodalità trigger hardware differente. Esso è un comando comune, di conseguenza operante sututte le adc selezionate.

Indipendentemente dalla modalità trigger, è stata sviluppata una procedura di coincidenzatemporale di armamento estesa a tutte le adc nel singolo crate. Il comando gestito dal bottoneSyncro, qualora attivato, forza una parte del codice relativa al download ad aspettare che tutte leadc nel crate abbiano finito di campionare (cioè non riarma dopo lo scarico dati).Successivamente inibisce la generazione di trigger tramite il comando globale di Inhibit, riarmasequenzialmente tutte le adc nel crate e poi libera l’inibizione. Così, tutti i moduli nel crate sipresentano, a tutti gli effetti, armati contemporaneamente; ciò è utile in tutti quei casi in cui sivoglia discriminare un evoluzione temporale veloce dei segnali sui vari canali, evitando problemirelativi al fatto che la prima adc venga armata alcuni ms prima dell’ultima (la procedura diarmamento, come tutte le procedure CAMAC non globali, è di tipo sequenziale).La parte di codice che riarma il modulo ed invia il segnale di trigger e lo sincronizza vienedescritta nella parte illustrante la funzione di download dati tramite interrupt.

Settore E - Gestione clock e settori

La gestione dei segmenti di memoria e della frequenza di campionamento è abbastanzamacchinosa poichè essa è in stretta correlazione con il numero di canali attivi e con modalità dicampionamento avanzate, le quali fanno variare dinamicamente il range dei valori inseribili. Ilcodice è stato predisposto per il calcolo di coerenza dei dati introdotti e fornisce suggerimenti ecorrezioni automatiche nel caso di impostazioni erronee, visto che le librerie non contenevanoruotine di controllo, oltre a quelli banali a range fisso.Di default, il sistema imposta il valore della dimensione del segmento di campionamentosecondo il principio di massima occupazione della memoria; per impostare un valore manualeoccorre aprire il menù di setup 6810 avanzato e modificare il controllo a tendina corrispondente. Numerico N.Trg = con esso si impostano il numero di trigger da acquisire per ogni canale prima

che l’adc lanci LAM, attivando un download dati.Nottolino Sampling Clock (F1) = È la frequenza di campionamento primaria identificata con F1

se si opera in modalità Dual Clock

Parte associata ad un setup hardware standard.Non è necessaria una rivalutazione di elementi di setup, ne di attributi associati a oggetti grafici di interfaccia.

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Tendina Memory Size = identifica la memoria installata nel modulo (di defualt è 512KS, caso incui non è presente nessun modulo 6310

Numerico info Sampling Time = visualizza la lunghezza temporale di campionamento in secondiNumerico info Sector Size = visualizza la dimensione in S del segmento, impostabile nel menù

di setup 6810 avanzatoBottone Advanced = apre il menù di setup 6810 avanzato

Settore setup avanzato

In questo settore vi sono presenti i controlli per:− la gestione della modalità a due frequenze di campionamento (leggere il manuale Lc6810 per

informazioni sulla modalità a due tempi): Sampling Clock (f2) = seconda frequenza di clock DualTimebase = selettore attribuzione frequenza agli intervalli temporali scelti con: PostTrgNear Time = selettore estensione tempo di post trigger near

− la segmentazione della memoria tramite il comando Segment Size: esso ha i valori espressi inpunti di campionamento insieme ad un parametro definito come Auto. Quest’ultimo èselezionato automaticamente ed imposta la lunghezza massima per il singolo segmento, inmodo da avere massima efficienza di utilizzo della memoria adc. La segmentazione èregolata dalle leggi sulla divisione della memoria indicate sul manuale Lc6810 e nellasezione introduttiva sui campionamenti.

Procedura di inizializzazione, preparazione ed invio setup

Nelle “…” è indicato il nome visualizzato sulla GUI del controllo acquisizione in oggetto didiscussione.Nelle [..] è indicato il numero o la posizione di default del controllo GUI che su setup standardnon provoca conflitti od errori.

Procedura di preparazione al run0) Consultare il foglio di Sommario operatività strumenti.1) Preparare il setup per l’hardware e controllare che:

a. il Crate Controller in ultima stazione crateb. gli indirizzi dei Crate Controllerc. la cablatura sia quella prevista

2) Accendere i CC con adc aventi canali attivi3) Inizializzare la scheda GPIB tramite Gpib Contr, immettendo il numero scheda [0] e

schiacciando bottone INI4) Inizializzare il crate controller da Crate Contr:

a. immettere il numero del crate selezionato e dare INIZ, attendere l’accensione inverde del led

b. controllare che il numero di occupazione Station n. delle stazioni da parte delleadc sia uguale a quello marca di riferimento N sulle adc stesse

c. Inserire eventualmente il nome adc5) Impostare i controlli di setup e setup avanzato come desiderato (ricordarsi che di default

si ha un calcolo della lunghezza di segmento automatica)6) Inviare il setup:

a. selezionare le adc da impostare con setup uguale, tramite l’accensione degliswitch Common Sel (il led corrispondente diventa rosso)

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b. Premere “Send setup”:Led blu = problemi nell’invio setupLed verde = setup accettato e verificatoLed giallo = setup accettato ma nessun canale attivo nell’adc(adc disattivata).Led rosso = setup non inviato

Ripetere i punti 4, 5 e 6 per ogni nuovo crate contenente canali attivi, oppure i punti 5 e 6 perogni insieme di adc con setup uguale all’interno dello stesso crate.

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IV.VI.VI Campo nero – Selezione visualizzazione canali e di funzione download

Selezione visualizzazione e salvataggiospettri di potenza

Questi interruttori accendono (on) o spengono (off)la visualizzazione di canali attivi del crateselezionato. Nel caso sia operativa la modalità dispettri di potenza, indicano (se posizionati su on)icanali visualizzati in spettro e predisposti alsalvataggio dello stesso qualora il led relativo siaacceso.L’esecutivo OFF pone tutti gli interruttori a zero.

Modalità di download e visualizzazione

Controllo Display Mode:− Intensity off non permette il disegno del grafico sul

display, l’utilizzatore non si chieda il motivo di esistenzadi questa scelta nel controllo, non v’è risposta. Serve perfuture opzionali tecniche di visualizzazione.

− Single = porta il pannello principale in primo piano, nelquale è presente un unico display visualizzante tutti icanali selezionati del sistema di acquisizione.

− Multi local = porta in primo piano il pannello divisualizzazione avanzata nel quale i grafici provenientisolo dal crate selezionato vengono raggruppati per adc evisualizzati su cinque display (ognuno per singola ADC)con le stesse funzionalità grafiche di quello descritto nelpannello principale

− Multi global = porta in primo piano il pannello divisualizzazione avanzata nel quale i grafici provenienti da

tutti i canali attivi e selezionati vengono raggruppati per adc e visualizzati su cinquedisplay (ognuno per singola ADC) con le stesse funzionalità grafiche di quello descrittonel pannello principale

Funzioni Esterne

Collation Unit = Apre il programma BrainConvertSave Runbook = Pone tutto il contenuto del box di informazione in un file di testo

nella directory principale di acquisizione, il nome del file di testo èsuccessivamente indicato nel box

Get Baseline = Porta il pannello di presa di linee di base in primo piano

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Controllo Display:La metodologia con cui questo sistema scarica e tratta i dati di campionamento è tanto complessaquanto versatile. Per questa versione, si possono usare quattro funzioni di scarico differenti,attivabili tramite il traslatore Display ed il bottone Get Baseline:

− download = scarico veloce di dati senza visualizzazione− visualon = scarico di dati e visualizzazione− powspectr = scarico di dati, visualizzazione spettro di potenza e salvataggio spettro

Le tre funzioni indicate si attivano su tutto il crate, senza possibilità di differenziarle adc per adc,mentre la seguente è attivabile indipendentemente per ogni crate

− getbl = presa linee di base tramite filtro software max-min con visualizzazioneesse vengono comandate dai seguenti bottoni:

“None” = è associato alla funzione download, costruita a codice minimale, che non prevedevisualizzazione sul display e massimizza la velocità operativa. È utilizzata per la presa dati atempo morto minimo in condizioni di stabilità setup hardware. Il codice minimale esegue solo ilcalcolo del tempo trigger, la formattazione dei dati e i contatori di ciclo e di memoria di massaoccupata per lo stop in automatico. I dati vengono salvati in ordine di tempo trigger, su un unicopuntatore a file, il quale fa generare file di output definito dal nome file “single*.dat”, contenentiun numero di impulsi definito nel numerico Sam/file Global.

“Time” = corrisponde alla funzione di scarico dati con possibilità di visualizzazione e diversasequenziazione dei dati, nominata visualon. All’attivazione di Time si toglie l’oscuramentoall’interruttore sottostante con il quale si può decidere se salvare gli impulsi visualizzati con“Save Vsl’d”, oppure solo visualizzarli ponendosi su “Only Vsl’d”. È da notare che è possibilecommutare l’interruttore in qualsiasi momento, potendo così effettuare consecutive modifiche alsetup e memorizzane i segnali caratteristici all’interno di una singola presa dati. Bisognaricordare che modifiche al setup 6810 all’interno della presa dati non vengono registrate, poiché ifile di output ha un unico header aggiornato su quello di chiusura run, in conformità con lostandard dei programmi di analisi off-line. Il fatto che i dati salvati nei file suddetti siano informato adc (cioè sequenze di numeri compresi fra 0 e 4095) fa sì di non mantenere la riscalaturaovvia che dovrebbe avvenire sotto cambio di range di tensione e di frequenza di campionamento.Si può altresì utilizzare il comodo box di testo come runbook e tenere traccia delle variazioni,poiché esso è trascrivibile in un file di tipo testo, tramite il bottono SaveRunbook. Secondoquesta funzione, i dati vengono salvati in modalità differente: il software li raggruppa,mantenendo l’ordine temporale di trigger, ma suddividendoli per adc generante. In dipendenzadel tipo di display scelto, tramite il controllo “Display Mode”, la funzione redirige il segnale davisualizzare sul display del pannello principale o suddividendoli, per adc e crate, sul pannello divisualizzazione avanzata.

PowS = è associata alla funzione vispowspectr; in questa posizione i gli impulsi vengono salvaticon le stesse modalità di Time, ma a questi si accompagna un’elaborazione che porta a fornire lospettro di potenza monolatero, definito da:

2

2

2RMS

N = numero di campionamenti dello stesso( ) con

X = segnale nel dominio temporale

essa verrà espressa in V Hz

FFT X

N

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Tutti i canali attivi aventi visualizzazione attivata sul crate impostato, qualora il traslatore vieneposto su PowS, derivano i segnali in tempo sulla funzione di conversione in spettro di potenza,dopo aver effettuato l’eventuale salvataggio determinato dall’interruttore sottostante. Questafunzione invia i dati trattati al display sul pannello di visualizzazione avanzata attivando suquesto i comandi per l’impostazione della scala logaritmica e delle scale appropriate dei grafici,del numero di spettri da acquisire prima di una visualizzazione della media, i bottoni di reset esalvataggio. Ogni spettro è sommato a tutti i precedenti, bin per bin e singolarmente canale adcper canale adc, fintanto che il corrispondente interruttore di visualizzazione rimane su on. Sequesto viene posto su off, allora la presa di spettro viene sospesa per essere riattivatariposizionando il suddetto interruttore su on. I puntatori corrispondenti ai canali attivi evisualizzati vengono resettati premendo il bottone rosso corrispondente all’adc in cui essi sonocontenuti, facendo così ricominciare dal vettore nullo la somma dei successivi vettori di spettrodi potenza. La visualizzazione degli spettri viene temporizzata dai controlli numerici postianch’essi sul pannello di visualizzazione avanzata; il numero impostato, comune nell’adc ad ognicanale visualizzato, indica il numero di spettri che devono essere raccolti prima di unosuccessivo refresh grafico. Quest’ultimo è il grafico dello spettro somma mediato su numero dispettri raccolti. Esso è salvabile sulla directory principale di salvataggio in un file ASCII singoloper salvataggio e canale, i cui elementi di vettore sono numeri double, separati tramite unatabulazione. Il salvataggio avviene premendo il led appartenente alla colonna corrispondenteall’adc che contiene i canali il cui il successivo spettro si vorrà salvare; di conseguenza, detticanali devono essere attivi e la loro visualizzazione deve essere accesa. Alla pressione del led,esso diverrà rosso e ritornerà scuro qualora lo spettro di tutti i canali selezionati (secondo lemodalità descritte sopra) sarà stato salvato. In qualsiasi momento, una pressione farà ritornare illed scuro e disabiliterà il salvataggio. Questo verrà inoltre disabilitato qualora si cambierà cratetramite il numerico preposto.

IV.VI.VII Il setup di visualizzazione avanzata Questo pannello raccoglie:

− i segnali in tempo provenienti da tutti i canali attivi di tutti i crate raccolti per adcoriginante singolarmente su un display (modalità Multi Global)

− i segnali in tempo provenienti da tutti i canali attivi del crate selezionato, raccolti per adcoriginante singolarmente su un display (modalità Multi Local)

− gli spettri di potenza dei segnali provenienti da tutti i canali attivi del crate selezionato,raccolti per adc originante singolarmente su un display (modalità Multi Local o MultiGlobal con funzione di PowS selezionata)

le azioni possibili sui display sono le stesse descritte per il display del pannello principale. Gliindicatori alla base di ciascuno indicano i volt per il fondo scala di ogni canale nel caso di MultiLocal, mentre in Multi Global gli impulsi sono banalmente normalizzati. La scala temporale è insecondi; nel caso di Multi Global essa è predisposta secondo la durata temporale dell’impulsopiù lungo nei crate.Come anticipato, i selettori di visualizzazione servono anche per la modalità PowS; se attivo suun canale attivo campionante in questa modalità, permette di sommare quadraticamente i datidello spettro di potenza, resettare e di salvare/visualizzare le medie. Se spento su un canaleattivo, disabilita queste funzionalità fino a nuova attivazione, come descritto precedentemente.

Numero di impulsi prima di eseguire un refresh dello spettro medio

Azzeramento spettro sui canali selezionati, in modalità PowS

Selezionatore per salvataggio spettro medio108


IV.VI.VIII Procedura avvio run

1) Impostare i dati di acquisizione nei controlli:a. Run Numberb. Sam/File Globalc. N.Cyclesd. Max #Byte/Rune. Per ogni adc attiva i Samp/file

2) Porre il controllo Display su Time e l’interruttore sottostante su Only Vsl’d3) Attivare i selettori di visualizzazione si canali attivi4) Premere Start run ed eseguire la procedura di creazione directory per il run5) Selezionare le adc che necessitano di un trigger manuale (cioè quelle impostate con

trigger manuale o autotrigger) e premere una volta ManTrg per avviare il singolo triggero la modalità di trigger manuale

6) Riassestare il setup ottimizzando la lettura; si può semplificare la procedura su adcsingola premendo il bottone di SSA

Ripetere questi punti per ogni crate attivo

109


IV.VI.IX Metodologia e processi di download Il processo hardware di generazione di interrupt in presenza di un LAM da parte di uno deimoduli attivi è già stato spiegato nella sezione di comunicazioni PCI-GPIB-CAMAC. Dopol’invio setup alle adc utilizzate per la presa dati, queste vengono rese attive tramite la pressionedel bottone Start Run, il quale attiva la procedura di armamento dei trigger alle adc nel crate. Ilprimo crate attivato non deve attendere la liberazione del bus CAMAC poiché non v’è nessunprocesso asincrono pendente, di conseguenza, dopo le procedure descritte nella parte relativa albottone, il codice lancia la seguente funzione armactive(ALLARMED,ccaddress) dove iparametri passati servono ad armare tutte le adc (ALLARMED) nel crate selezionato dal numericoCrate Contr (ccaddress).Il codice relativo a questa funzione è:

void armactive(int what,int cc)

int i;lecCAMAC_cctrl (cc, 1, 1, 0); /* Così i pretrigger sono uguali*/switch (what)

case ALLARMED:for (i=0; i<5; i++)

if (adcactive[cc][i]>0)lec6810_set_module_location (cc, adc[cc][i]); lec6810_arm (i);

break;

case SELECTED:

for (i=0; i<5; i++)

if (adcactive[cc][i]>0 && adcsel[cc][i]==1)lec6810_set_module_location (cc, adc[cc][i]); lec6810_arm (i);

break;

runinrun[cc]=1;

Successivamente viene attivata la generazione di interrupt e viene assegnata la funzione chegestisce i moduli in LAM tramite la funzione ibnotify di libreria. Questa funzione farà un serialpoll sul crate chiamante disabilitando prima la generazione di altri SRQI, in modo da evitareproblemi di flusso parallelo sulla scheda PCI; modalità che potrebbe essere implementata tramitethread protetti. Comunque, dalle prove effettuate, si otterrebbe un modesto aumento dellavelocità di download di più moduli chiamanti in contemporanea.

Parte di armamento indirizzato a tutte le adc nel crate. È utilizzata per procedure di avvio o di download sincronizzato

Parte di armamento indirizzato alle sole adc selezionate nel crate. È utilizzata per il riarmamento dopo comunicazioni esclusive con le adc selezionate (p.e. dopo un invio setup)

110


La funzione chiamata da ibnotify è la seguente SRQI_call:

int __stdcall SRQI_call( int scheda_gpib, int sta, int err,long cntl,void *datapointercall)

int lam_stat[25],lam_stat_adc[5];int i,j,m;static int lastcc;char temporc[200];

youareready=0;if (waitamomentplease==1)

youareready=1;return 0;

for (j=0 ;j<32 ;j++)if ( ctrl_list[lastcc&=31]==8901 )

if (lecCAMAC_lam_status (lastcc, lam_stat)==111)

ccaddrtemp=lastcc++;goto egoloqui;

else lastcc++;

else lastcc++;

youareready=1;return -1;

egoloqui:

lecCAMAC_cmd (ccaddrtemp, 64, 0, 0);lecCAMAC_lam_status (ccaddrtemp, lam_stat);

while ( *** omissis CONTROLLO LIMITATORI DI MEMORIA)

numcheck++;

for (m=0;m<5;m++)lam_stat_adc[m]=lam_stat[adc[ccaddrtemp][m]];

while ( (maxvect(lam_stat_adc,5))>0 )

downumber&=5

(4)Il ciclo while seguente valuta in maniera non standard tutte le adc chehanno lanciato LAM prima della funzione che valuta il vettore di lam_status.

È stato necessario fare così perchè:1) sotto alti rate il tempo che intercorre tra il lancio del SRQI e l'effettivo

download dei dati può essere maggiore del tempo di riempimento memoriadi un'altra adc.

2) durante il download di una adc si possono mettere in coda altre adc chenon rientrano nel vettore lam_stat del presente download ma rientrerannonel SRQ successivo.

La soluzione non standard (l'utilizzo di una variabile di indice esterna) si èadottata per evitare i problemi di inizio ciclo di download: il valore didownumber nel ciclo successivo di download rimane attestato sulla adcsuccessiva all'ultima scaricata nel corrente ciclo, evitando precedenzesistematiche alle prime adc, con tempi morti differenti fra adc a setupuguale.

(1)Protocollo di gestione interrupt hardware e comandi CAMAC asincroni. Ciò verrà illustrato nella sezione successiva

(2)Identificazione moduli in LAM. La sequenza di studio è di tipo ciclico, in modo da evitare preferenze in download, analogamente a ciò che viene fatto per le adc

(3)Coefficienti di ritorno funzione0 = implica la disabilitazione di ulterioriSRQI,SRQI = riattiva la generazione di chiamate aSRQI_call-1 = SRQI non dipendente da LAM, messo per

111


112


if (lam_stat_adc[downumber]==1 )Lam_stat_adc[downumber]=0;

downchoice[ccaddrtemp][downumber](downumber);

if (syncroval[ccaddrtemp]==0)lec6810_set_module_location (ccaddrtemp, adc[ccaddrtemp][downumber]); lec6810_arm (downumber);if (storedsetup[ccaddrtemp][downumber][13]==4)

lec6810_trigger ();

else diff[ccaddrtemp][downumber]=-1;

downumber++;

if (syncroval[ccaddrtemp]==1 && maxvect(diff[ccaddrtemp],5)<=0)

if (waitsyncro[ccaddrtemp]==1)syncroval[ccaddrtemp]=0;waitsyncro[ccaddrtemp]=0;

armactive(ALLARMED,ccaddrtemp);

for (m=0;m<5; m++)if ((diff[ccaddrtemp][m]=(adcactive[ccaddrtemp][m]>0)) && storedsetup[ccaddrtemp][m][13]

==4)diff[ccaddrtemp][m]=2;lec6810_set_module_location (ccaddrtemp, adc[ccaddrtemp][m]);lec6810_trigger ();

if (kontr==1)

Sum1D (memsize[ccaddrtemp], 5, &sup_occmem[ccaddrtemp]);min[ccaddrtemp] = minvect(cycles[ccaddrtemp], 5);

if (ccaddress==ccaddrtemp)SetCtrlVal (panelHandle, PANEL_CYCLES_ADC_1, cycles[ccaddress][0]);SetCtrlVal (panelHandle, PANEL_CYCLES_ADC_2, cycles[ccaddress][1]);SetCtrlVal (panelHandle, PANEL_CYCLES_ADC_3, cycles[ccaddress][2]);SetCtrlVal (panelHandle, PANEL_CYCLES_ADC_4, cycles[ccaddress][3]);SetCtrlVal (panelHandle, PANEL_CYCLES_ADC_5, cycles[ccaddress][4]);

kontr=0;

if (waitamomentplease==1)

waitamomentplease=0;youareready=1;if (ccaddress!=ccaddrtemp)

lecCAMAC_cmd (ccaddrtemp, 65, 0, 0);

(5)Puntatore a funzione scelta per

l’adc selezionata

(8)Sezione per l’autotrigger nel caso di crate ad

adc sincronizzate

(6)Se non è attiva la sincronizzazione fra adc allora si effettua un armamento trigger immediatamente successivo al download dati. Nel caso vi sia autotrigger, viene lanciato il segnale di trigger software. Nel caso di sincronizzazione, viene predisposta l’adc in coda per l’armamento.

(7)Procedure di sincronizzazione e autotrigger per gruppi di adc. Riarmamento adc.

(9)Protocollo di gestione interrupt hardware e comandi CAMAC asincroni. Ciò verrà illustrato nella sezione successiva

113


return 0;

lecCAMAC_cmd (ccaddrtemp, 65, 0, 0);

youareready=1;return SRQI;

lecCAMAC_cctrl (ccaddrtemp, 0, 1, 1); for (i=0; i<5; i++)

if (adcactive[ccaddrtemp][i]>0)

lec6810_set_module_location (ccaddrtemp, adc[ccaddrtemp][i]);lec6810_abort ();

for (i=0; i<5; i++)

if (outfilenovis[ccaddrtemp][i]!=NULL && adcactive[ccaddrtemp][i]>0 && cycles[ccaddrtemp][i]!=0)fclose (outfilenovis[ccaddrtemp][i]);

sincycles=0; if (ccaddress==ccaddrtemp)

SetCtrlVal (panelHandle, PANEL_TOGGLE_SETUP, ssa=0);SetCtrlAttribute (panelHandle, PANEL_TOGGLE_SETUP, ATTR_DIMMED, 1);

SetCtrlAttribute (panelHandle, PANEL_QUITBUTTON, ATTR_DIMMED, contr[ccaddrtemp][QU]=0); SetCtrlAttribute (panelHandle, PANEL_ARM_D, ATTR_DIMMED, contr[ccaddrtemp][AR]=0);

SetCtrlAttribute (panelHandle, PANEL_SEND_BUTTON, ATTR_DIMMED, contr[ccaddress][SE]=0);

GetSystemDate (&month, &day, &year); GetSystemTime (&hours, &minutes, &seconds);

sprintf(temporc,"The run%d on cc%d is started on the %d/%d/%d @ %d:%d.%d\n" "The same run is finished on the %d/%d/%d @ %d:%d.%d\n" "at the %d check",

runumber[ccaddrtemp],ccaddrtemp,dayon[ccaddrtemp],monthon[ccaddrtemp],yearon[ccaddrtemp],

hourson[ccaddrtemp],minuteson[ccaddrtemp],secondson[ccaddrtemp], day,month,year,hours,minutes,seconds,numcheck); headering (monthon[ccaddrtemp], dayon[ccaddrtemp], yearon[ccaddrtemp], hourson[ccaddrtemp], minuteson[ccaddrtemp], secondson[ccaddrtemp],

month, day, year, hours, minutes, seconds,ccaddrtemp);

createheader(monthon[ccaddrtemp], dayon[ccaddrtemp], yearon[ccaddrtemp], hourson[ccaddrtemp], minuteson[ccaddrtemp], secondson[ccaddrtemp],

month, day, year, hours, minutes, seconds,ccaddrtemp);

InsertTextBoxLine (panelHandle, PANEL_TEXTBOX, -1, temporc); runinrun[ccaddrtemp]=0;

(10)Questa parte è relativa all’uscita inautomatico dal run, dopo che sono statisuperati i limitatori di ciclo e di memoria. Leprocedure sono simili a quelle che avvengonoalla pressione del bottone StopRun

(11)Uscita dal run del crate chiamante che ha superato i limiti di memoria ma riattivando la generazione di interrupt, ritornando SRQI, senza callback asincroni chiamanti

114


if (waitamomentplease==0 && maxvect(runinrun,32)>0) return SRQI;

else

youareready=1; createheader(monthon[ccaddrtemp], dayon[ccaddrtemp], yearon[ccaddrtemp],

hourson[ccaddrtemp],minuteson[ccaddrtemp], secondson[ccaddrtemp],month, day, year, hours, minutes, seconds,-ccaddrtemp);

MessagePopup("Communication", temporc);return 0;

Come si nota dal codice, questa funzione agisce in stretta dipendenza con un protocollo inibentela generazione di thread e di service request. Ogni funzione interessante comunicazioni gpibviene protetta da due funzioni:

check_notify_on restore_notify_on

void check_notify_on(int notify_no_stop)

int i,lam_stat[25];

if (maxvect(runinrun,32)>0) waitamomentplease=1; Delay (0.05) while (youareready==0) Delay (0.05); ibnotify (gpibn, 0, SRQI_call, NULL); if (runinrun[ccaddress]>0) lecCAMAC_cmd (ccaddress, 64, 0, 0); lecCAMAC_lam_status (ccaddress, lam_stat); for (i=0; i<5 && notify_no_stop==0; i++) if (adcsel[ccaddress][i]==1 && adcactive[ccaddress][i]>0) lec6810_set_module_location (ccaddress, adc[ccaddress][i]); lec6810_abort (); lec6810_clearLAM();

return;

void restore_notify_on(int notify_no_stop)

if (maxvect(runinrun,32)>0)

if (runinrun[ccaddress]>0)if (notify_no_stop==0)

armactive(SELECTED,ccaddress);lecCAMAC_cmd (ccaddress, 65, 0, 0);

waitamomentplease=0;ibnotify (gpibn, SRQI, SRQI_call, NULL);

else ibnotify (gpibn, 0, SRQI_call, NULL);

return;

Questo protocollo si svolge su una accorta temporizzazione delle funzioni e delle procedure,utilizzando delle proprietà proprie sia dello hardware che del software. I processi di interruzionedi generazione SRQ non sono lesivi per i dati; un’adc in LAM continua a mantenere questaproprietà fino a che non gli viene passato un comando apposito per la sua cancellazione.Disabilitando la generazione di SRQ nel CC, si permettono processi CAMAC altrimenti inibitiche in alcuni casi effettuano la cancellazione suddetta (p.e. su una inizializzazione adc); allanuova riabilitazione degli SRQ su LAM, le adc che sono rimaste in questo stato fanno generarenuovi SRQ dal CC, non perdendo così nessuna informazione utile.

(12)Uscita dal run del crate chiamante che ha superato i limiti di stop automatico senza riattivare la generazione di interrupt, ritornando SRQI per assenza di crate attivi

115


Check_notify_on viene utilizzata prima della parte di codice strettamente relativa allecomunicazioni CAMAC del callback asincrono chiamante. Essa valuta se esiste un run tramite ilcalcolo del massimo (funzione maxvect) del vettore che porta informazioni sullo stato dei crate (0se il crate è disattivato). Qualora esistesse un run accende la variabile waitamomentplease, laquale prenota l’interruzione della generazione di SRQI; successivamente pone il codice delcallback in pausa per 50 ms (Delay (0.05)) per evitare problemi di intersezione temporale conprocessi analoghi su SRQI_call. Tramite un successivo ciclo while, la funzione si mette di nuovoin pausa, attendendo che la variabile globale youareready venga accesa. Quest’ ultima è sempreaccesa a meno di SRQI_call operante, come si vede dal commento (1) su questa funzione; lastrategia adottata è la seguente:

− se waitamomentplease è accesa ma non sono ancora passati i primi 50ms, alloral’eventuale SRQI_call che si dovesse attivare si mette in pausa, riaccendendoyouareready spenta all’inizio, disabilitandosi. Unitamente, come si nota dal commento(1), la funzione ritorna 0 se trova un processo asincrono già partito oppure ritorna –1 nelcaso l’interrupt non sia stato generato da LAM come evidenziato dal commento (2). Ciòequivale a disabilitare ibnotify dal chiamare SRQI_call ed impedire, di fatto, che esistanocomunicazioni contemporanee sul bus GPIB.

− se SRQI_call è già partita con le chiamate GPIB, effettuate dal commento (2) in poi,allora youareready vale 0 e il callback asincrono si mette in pausa, fino a quandoyouareready ritorna 1. Questo avviene all’uscita di SRQI_call, come si vede in (9), (10) o(11).

Ciò è possibile poiché SRQI_call gira in un thread indipendente, e la messa in pausa del callbackasincrono non influisce sulla velocità di esecuzione di SRQI_call proprio perché la messa inpausa stessa effettua una semplice comparazione di valori ogni 50 ms, condividendo in manieratrascurabile l’uso del processore con SRQI_call.

All’attivazione di youareready11, la funzione check_notify_on disabilita gli SRQI12 edinterrompe, nel caso che il callback asincrono interessi un crate attivo, l’eventuale generazione diSRQ del CC su LAM utilizzando la funzione lecCAMAC_cmd (ccaddress, 64, 0, 0);successivamente vengono raccolte le informazioni sui moduli in LAM. Questa procedura èindispensabile poiché i comandi asincroni sono posti prioritari rispetto al funzionamentohardware per mantenere il controllo sullo stesso. Nel caso in cui ci sia coda di moduli in LAM sudiversi crate contemporaneamente, la procedura studiata permette di non perdere informazionisu quali moduli sono da scaricare.La funzione check_notify_on ha un parametro, passato tramite la variabile locale notify_no_stop;se questa è uguale ad 0, allora il campionamento viene abortito e l’eventuale LAM attivocancellato in tutte le adc selezionate ed attive del crate impostato. Se la variabile notify_no_stopinvece è uguale ad 1, l’adc non viene interessata da questi comandi. Ciò permette di raffinare ladirezionalità del comando: il primo caso viene applicato per quei callback che abbiano comandiCAMAC che devono rigettare anche i dati di campionamento (es. inizializzazione adc o diinterruzione run); il secondo caso è associato a comandi di controllo (es. invio trigger software)nei quali deve essere preservato il contenuto della memoria.Sono presenti dei casi in cui elementi di codice non interagenti col CAMAC e tipicamente agentisu controlli GUI, vengono posti prima di check_notify_on scorrendo in parallelo con l’eventuale

11 Cioè youareready = 112 È necessario poiché a questo livello di check_notify_on non c’è certezza se essi siano disabilitati o meno

116


callback; alla fine di check_notify_on, il callback prosegue. Immediatamente dopo l’ultimacomunicazione CAMAC o dopo l’ultima funzione con variabili correlate a SRQI_call, parte lafunzione restore_notify_on.Essa è l’inversa di check_notify_on, è anch’essa ad un parametro passato tramite notify_no_stop;questa funzione esegue le seguenti procedure:

− se vi è un run in corso e se il crate chiamante è attivo allora, nel caso che notify_no_stopsia 0 riarma le adc (che all’inizio del run o se chiamate precedentemente da un callback diinterruzione, si presentano disarmate) e comunque riattiva nel crate la generazione diSRQI.

− Indipendentemente se il modulo chiamante sia attivo o meno, ma sotto l’ipotesi di run incorso, essa pone a zero waitamomentplease evitando che ulteriori SRQI_call siautodisabilitino e riattiva ibnotify a chiamare SRQI_call.

− In caso di run non attivo, essa disabilita ibnotify a chiamare SRQI_call, necessario nelleoperazione di chiusura automatica run e superflua nel caso di run non attivo a priori.

Anche in questo caso accade che elementi di codice interessanti variabili o processi non connessicon SRQI_call vengano lasciati liberi di accadere durante l’esecuzione di un download dati,ottimizzando così tempi e processi in piena sicurezza.La rigidità operativa di questo protocollo evita la commistione di variabili non protette con piùprocessi contemporanei utilizzanti le stesse; ciò restituisce una notevole affidabilità, necessariaper il grande numero13 di elementi hardware controllabili.

Puntatore a funzioni di download

Il codice esaminato precedentemente ha evidenziato, nel punto (5), il processamento dellafunzione di download. Essa consiste in quattro modalità di scarico, elencate all’inizio di questasezione e impostabili tramite il controllo Display e GetBaseline; esse sono associate a quattrofunzioni di codice le quali vengono chiamate dall’elemento di matrice di puntatori a funzionidownchoice:

if (lam_stat_adc[downumber]==1)Lam_stat_adc[downumber]=0;downchoice[ccaddrtemp][downumber](downumber);

***omissis

Come indicato precedentemente nel punto (2), il callback asincrono effettua un ciclo diidentificazione dei moduli in SRQ, associando ad ognuno di essi la variabile ccaddrtemp nelcorso del relativo processamento. Inoltre, viene acceso il bit meno significativo negli elementidel vettore lam_stat_adc corrispondenti ai moduli in LAM nel ccaddrtemp, permettendo cosìl’identificazione del campionatore in LAM nel ciclo for di download intestato sulla variabiledownumber. Detto modulo subirà la funzione di scarico puntata dal puntatore a funzionedownchoice[ccaddrtemp][downumber]. Questo è contenuto in una matrice 32x5, aggiornata adogni variazione dei controlli Display e GetBaseline, oppure alle uscite in automatico di quelle atermine prefissato14, le quali reimpostano le funzioni di download originarie precedenti la loroattivazione. La comodità associata all’utilizzo dei puntatori è evidente, poiché l’esecuzione deltipo di download è selezionata dinamicamente anche da processi interni al programma stesso.Ciò permette di togliere tutti i vari filtri accoppiati ai sottocasi associati alla posizione dei

13 Teoricamente illimitato, escludendo limitazioni hardware GPIB ed il problema dei tempi morti.14 P.e. la funzione getbl, dove al termine della raccolta del numero di baseline impostato, essa converte il puntatorealla funzione di download precedentemente impostata.

117


controlli di download sulla GUI, diminuendo il tempo morto per processamento; inoltre generauna modularità intrinseca del codice poiché permette di aggiungere altre funzioni senzamodificare strutturalmente il codice stesso. Nel caso delle tre funzioni di download visualon,download e visualpowspect, l’assegnazione del puntatore a funzioni viene gestita alla modificadei controlli suddetti, in maniera asincrona e di conseguenza operata nel preciso istante in cuil’utilizzatore decida il cambiamento15, il codice associato è:

int CVICALLBACK Visualization (int panel, int control, int event,void *callbackData, int eventData1, int eventData2)int j,k;

switch (event)case EVENT_VAL_CHANGED:

GetCtrlVal (panelHandle, PANEL_VISUALIZE, &visualonoff[ccaddress]);

if (v isualonoff[ccaddress] == 0)

for (j=0;j<5;j++) downchoice[ccaddress][j]=download; SetCtrlAttribute (panelHandle, PANEL_GRAPH, ATTR_DIMMED, 1);

SetCtrlAttribute (panelHandle, PANEL_ONLY_VISUAL, ATTR_DIMMED, 1);SetCtrlAttribute (panelHandle, PANEL_MULTI_VIEW, ATTR_DIMMED, 1);

else if (visualonoff[ccaddress] == 1)

for (j=0;j<5;j++) downchoice[ccaddress][j]=visualon; SetCtrlAttribute (panelHandle, PANEL_GRAPH, ATTR_DIMMED, 0);


else if (visualonoff[ccaddress] == 2)

***omissis Assegnazione dinamica memoria for (j=0;j<5;j++)

downchoice[ccaddress][j]=visualpowspect; SetCtrlAttribute (panelHandle, PANEL_GRAPH, ATTR_DIMMED, 0);


***omissis Gestione grafica dei display

come si rende evidente da questa parte di codice, esso non è protetto dal protocollo di gestioneasincrona. Il cambiamento della tipologia di download avviene istantaneamente e tutta la partegrafica è nel thread principale, evidando perdite di tempo macchina inutili. In questa versione, lafunzione di download, per le tre suddette, è la stessa per tutte le adc nel crate; esiste unaevoluzione di questa che, tramite i selettori di comando comune, associa una funzione didownload per ogni adc nel singolo crate. Per quanto riguarda la presa delle linee di base, essainvece è assegnabile indipendentemente per ogni adc con limitatore sul numero di linee di baseraccolte, superato il quale l’adc ritorna alla tipologia di download dati precedente. Questametodologia di funzionamento serve per ridurre il controllo umano della run; esse possonodurare diversi giorni, nei quali è necessario prendere più pacchetti di linee di base. Queste ultimepossono avere un tasso di accettazione molto basso, di conseguenza un riassetto automatico dallaraccolta linee di base alla normale presa dati può diminuire il tempo inutilizzato che intercorre inquesta conversione.

15 A meno di ritardi necessari al compimento dell’ultima operazione di download, secondo quanto definito per ilprotocollo di gestione degli eventi asincroni

118


Linee di base

Idealmente, le linee di base sono i segnali di rumore di natura elettronica16 associati al complessoformato da acquisizione dati, cablaggi, elettronica e rivelatore. La natura del rumore interessantela catena di lettura è molteplice e legata, di norma, sia alle caratteristiche elettriche intrinsechedella strumentazione adottata, sia all’accoppiamento di caratteristiche non elettriche di unapparato con le proprietà di un altro trasducenti queste ultime in segnale elettrico.Un esempio limitato di sorgenti di rumore derivanti da elementi di setup è il seguente, nel qualesi sottolinea il fatto che il rumore intrinseco dei portatori di segnale non sempre è di naturaelettromagnetica, ma esso viene trasdotto in tale dagli accoppiamenti accennati:

- Bolometro = fononi, rumore granulare generato dal calore medio presente alla temperaturadi base.

- Termistore = elettroni, rumore granulare elettrico.- Cablaggi = elettromagnetico, rumore microfonico; termico, disturbi da termalizzazione.- Criostato = vibrazionale, microfonismo su cablaggi e rumore termico sui rivelatori.- Elettronica e acquisizione = rumore elettronico tipico, associato a elementi discreti ed

integrati.

Un analisi precisa potrebbe dimostrare che il rumore, disaccoppiato al segnale, è in parteriducibile, anche numericamente, con la tecnica del filtro ottimo. Questa può essere utilizzatanella costruzione del setup, formando la rete elettronica, ossia la funzione di trasferimento H(ω),tramite dei filtri appositi. Ciò ottimizza la risposta spettrale di un impulso nei confronti dellospettro di potenza tipico del rumore associato alla rete stessa. Nel caso dei bolometri, la tecnicautilizzata è quella, in qualche modo, inversa. L’impulso S(t), nel dominio del tempo, vieneraccolto sovrapposto al rumore N(t) e definito come:

R( t ) = E · S( t ) + N( t )dove il parametro E è l’energia dell’impulso stesso.Da più campionamenti delle linee di base, si crea lo spettro di potenza caratteristico della rete N(ω) e viene massimizzato il rapporto ρ detto di segnale-rumore tramite la creazione di unafunzione di trasferimento H(ω) ad hoc:

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )

12

21

2

Mi t

M M

rms

E S H e dE S t H t

N N H d

ωπ

π

ω ω ωρ

ω ω ω

+∞

−∞

+∞

−∞

⋅ ∗= =

∫∫

con S(ω) = F[S(t)] si intende la trasformata di Fourier del segnale S(t), con tM si indica il punto dimassimo del segnale nel dominio del tempo.La funzione massimizzante H(ω) è:

( ) ( )( )

Mi tSH K e

Nωω

ωω

∗−=

L’energia depositata si prova essere proporzionale al massimo, nel tempo, da questa relazione:

( ) ( ) 1maxt

E F S Hω ω−∝ dove l’antitrasformata dello spettro del segnale generato modulato da H è valutato nel punto dimassimo globale.

16 Mista a rumore derivante da eventi sotto soglia

119


Da questa ridotta parte teorica si evince che avere un ottimo spettro di rumore, il più fedelepossibile a quello che si accoppia al segnale, permette di risalire correttamente all’energia delprocesso.Per raggiungere questo scopo, la procedura seguita è quella di filtrare i segnali dei canali attivi inautotrigger; è intuitivo che questi segnali debbano essere accettati come rumore se abbianoassociato valori massimi di tensione minori della soglia usata come trigger per l’individuazionedi un evento in condizioni di raccolta dati normale.Per fare ciò si preme il bottone GetBaseline posto sul pannello principale, dal quale sorge ilpannello di impostazioni per le baseline:

120


Anche questo pannello è di tipo comune, il refresh del setup di presa linee di base di un’adc nelcrate impostato è eseguito alla pressione del Led corrispondente (il led in alto è riferito alla adc1) all’adc voluta. La modifica dei valori viene memorizzata soltanto premendo il bottone Start Acquire, il quale avvierà la presa delle linee di base sull’adc selezionata tramite i selettori dicomando comune; alla fine, questa si riconvertirà alla funzione di download impostataprecedentemente l’avvio per le linee di base.I traslatori sono divisi in due gruppi: quelli superiori (Upper Lvl) indicano il valore di filtrosuperiore (espresso in volt nell’indicatore numerico sottostante) mentre quelli del gruppoinferiore (Lower Lvl) ne indicano il limite inferiore, canale per canale (al canale 1 si riferiscono iprimi sulla sinistra) per l’adc selezionata. Detti valori di filtro vengono applicati al segnale inautotrigger estratto dall’adc secondo due modalità principali di filtraggio selezionabili conl’interruttore Mode:

− Diff = di picco-picco di questo è compreso fra 0 e (Upper Lvl – Lower Lvl)− Abs = accetta il segnale come linea di base se il valore massimo è inferiore di Upper Lvl e

il valore minimo è maggiore di Lower LvlSi aggiorneranno i parametri numerici relativi all’ultima impostazione memorizzata per l’adc; ciòavviene se questa ha già raccolto linee di base. L’interruttore Visualize permette lavisualizzazione sui display della GUI (su Off si ha il minino tempo morto del processo) mentre inumerici # BL acqr’d, intermedi ai filtri, sono corrispondenti al numero di linee di base acquisiteper l’ultima adc selezionata con le regole per il refresh descritte precedentemente.Il significato dei LED è il seguente:

− Nero = linee di base non ancora acquisite od interrotte− Verde = linee di base acquisite regolarmente secondo il setup visualizzato− Rosso = raccolta linee di base in corso

Close pone il pannello sotto quello principale, ma non interrompe un’eventuale presa di linee dibase.

Procedura raccolta linee di baseLa procedura consigliata è la seguente:

1. aprire pannello di setup per la raccolta delle linee di base tramite bottone GetBaselinesul pannello principale

2. selezionare l’adc da porre in questa modalità tramite il selettore di comandi comuni sulpannello principale (è possibile selezionare un’unica adc alla volta)

3. porre il setup hardware per la modalità (si consiglia autotrigger e nessun pretrigger pervelocizzare il processo), l’invio del setup é automatico

4. premere il led sul pannello di setup delle linee di base corrispondente all’adc5. impostare i valori sui controlli preposti6. premere Start Acquire

Per fermare un raccolta delle linee di base basta eseguire la procedura di avvio raccolta fino alpunto 4. e porre #Baseline a zero, premendo successivamente Start Acquire.

121


IV.VI.X Struttura dei file Esistono diverse tipologie di file prodotte: nella prima colonna il tipo file, modalità associata enome file; nella seconda si individua la struttura ANSI del file:

Dati di campionamentoModalità Nonesingle_cc_rn_nc_nu.da

(stringa char)“HEADSIGN”+(char) identificativo canale+(short) tempo trigger+ 2n (short – 12 bit) punti dicampionamento, impulsi in sequenza temporale in unicofile nella directory principale

Dati di campionamentoModalità Visualoncc_adc_nu_nu.dat

(stringa char)“HEADSIGN”+(char) identificativo canale+(short) tempo trigger+ 2n (short – 12 bit) punti dicampionamento, impulsi raggruppati adc per adc, insequenza temporale, nella directory principale

Dati di campionamentoModalità PowScc_adc_nu_nu.dat

(stringa char)“HEADSIGN”+(char) identificativo canale+(short) tempo trigger+ 2n (short – 12 bit) punti dicampionamento, impulsi raggruppati adc per adc, insequenza temporale, nella directory principale

Linee di basecc_adc_rn_nb.nsl

Come dati di campionamento, raggruppati adc per adc nelladirectory /nsl

Spettro di potenzacc_adc_ch_np.pow

2n (double ASCII) punti di campionamento, separati databulazione, un file per singolo salvataggio nella directoryprincipale

Descrittivo spettrodeltafreq.pow

Per ogni file di spettro ne indica l’intervallo in frequenza, inHz, fra due punti contigui, nella directory principale

File di headervsmicof.hdr

Header per programmi di analisi, contiene i parametri deiprimi 72 canali, nella directory /setup

File di headervsmitot.hdr

Header per programmi di analisi, contiene i parametri ditutti i 640 canali, nella directory /setup

File di setupstp_cc_adc_day.month.hours.nu.stp

Contiene i valori di setup di singola adc, nella directory /setup

LegendaCc = identificativo crate [0,31]Adc = identificativo adc [1,5]Ch = identificativo canale [1,4]Np = numero spettri acquisitiRn = identificativo runNb = numero di linee di base acquisiteNu = numero di ciclo interno

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IV.VII Utilizzazioni del sistema di acquisizione

Come già accennato, il sistema di acquisizione ha eseguito molti cicli di test nei quali si èprovata l’affidabilità in differenti setup hardware e software. Successivamente a questi, lo si èutilizzato in tre differenti situazioni sperimentali: l’acquisizione del fondo del Laboratorio diCriogenia dell’Università dell’Insubria di Como e i run sperimentali per lo sviluppo deibolometri compositi. L’acquisizione, unitamente al programma “BrainHot”, è stata testata nelprimo raffreddamento del criostato “Air Liquide”; l’integrazione con BrainHot è stata positiva enon ha dato problemi di conflitto software.

IV.VII.I Rivelatori per bassa radioattività al Germanio – Castel Baradello

Nella durata temporale di questo lavoro di tesi, si è avuta la possibilità di contribuire attivamenteall’installazione di un laboratorio sotterraneo sito nella caverna dell’Acquedotto Municipale –ACSM del comune di Como. Lo spazio offerto dalle autorità ha permesso l’installazione diesperimenti per la rilevazione di bassa e bassissima radioattività tramite l’ausilio di rivelatori alGe HPGe. Durante l’installazione del setup si è ottimizzato il sistema per la riduzione del rumoremicrofonico; questo risulta elevato poiché il luogo è fortemente sollecitato da pompe emacchinari per il trattamento delle acque. L’idea di inserire uno stato di neoprene sotto la basedella schermatura ed il conseguente l’isolamento meccanico della stessa ha favorito unasoppressione del rumore di quasi un ordine di grandezza, con benefici evidenti sulla risoluzioneenergetica dello strumento. Una prima caratterizzazione e la presa dati per il fondo radioattivodel Laboratorio di Criogenia dell’Universita degli Studi dell’Insubria è stata eseguita conl’ausilio del sistema di acquisizione BrainAcquire, oggetto di questo lavoro di tesi.

Rivelatori HPGe

Recentemente, i grandi progressi tecnologici effettuati sulla crescita dei cristalli hanno permessola realizzazione di strutture cristalline anche di grosse dimensioni (volumi nell'ordine del litro) adaltissima purezza (meno di 1010 atomi/cm3 di impurezze). I rilevatori utilizzanti i suddetti cristallicostituiti da Ge, vengono detti HPGe (High Purity Germanium). Essi hanno l'enorme vantaggiodi non dover essere tenuti continuamente a basse temperature: il raffreddamento è necessariosolo se viene applicata la tensione di polarizzazione, che in questo caso, è dell'ordine di qualchemigliaio di Volt. La tecnica sviluppata per produrre questi cristalli ultrapuri si chiama “zonerefining”: le impurezze vengono progressivamente eliminate scaldando localmente il Ge naturaleed eliminandole tramite tecniche sfruttanti il fatto che esse sono più solubili del Ge stesso. Ilcristallo finale viene quindi fatto “crescere” a partire da questo germanio trattato. Se leimpurezze nette rimanenti sono accettori, le proprietà elettriche del conduttore sono quelle di uncristallo debolmente drogato di tipo p, altrimenti di tipo n. La zona di svuotamento si ottienecreando una struttura a diodo; per esempio si evapora del Li su una superficie del cristallodebolmente drogato di tipo p creando un contatto n+, detto rettificatore, avente spessori tipici dicirca 600µm. Su un'altra superficie si impiantano ioni di boro per spessori attorno a 0,3 µmcreando un contatto p+ che in questo caso funge da contatto bloccante. Applicando una tensioneinversa (positiva su n+ e negativa su p+) le cariche si separano e si crea la zona a svuotamentototale, nella quale una particella ionizzante crea coppie elettrone-lacuna, il cui segnale prodottodallo loro migrazione viene raccolto dagli elettrodi. Di conseguenza, la zona a svuotamento

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totale costituisce il volume attivo del rivelatore; gli strati morti sono dati dagli spessori deicontatti che, come appena visto, in un HPGe sono ridottissimi. Per costruire rivelatori con unvolume attivo molto grande (400 cm3) si utilizza inoltre la geometria coassiale che si divide indue classi:

1. “true coaxial” = un elettrodo viene fabbricato sulla superficie cilindrica esterna delcristallo, un secondo contatto viene creato rimovendo la parte centrale lungo l'asse eposizionandolo quindi sulla superficie cilindrica interna.

2. “close-ended” = è simile al precedente, ma ha un’estremità chiusa. Questo evitacomplicazioni dovute a correnti di perdita sulla superficie frontale; inoltre, offre unafinestra d'entrata utile anche per radiazione debole se realizzata con contatto elettricosottile.

Nella configurazione 2. le linee di campo elettrico ridotto non sono più completamente radialicome nel caso 1. e vi è la tendenza ad avere regioni con campo elettrico ridotto vicino ai bordidel cristallo. Per ovviare a questo problema si estende ulteriormente la cavità centrale verso lasuperficie frontale e si arrotondano sia gli spigoli frontali, lavorazione detta “bulletizing”, cheriduce le regioni a basso campo.Una condizione di bontà del rivelatore sono basse correnti superficiali, di norma dovute presenzadi umidità o perdita delle condizioni di vuoto del dewar associato. Le correnti di perditasuperficiali in condizioni di normale funzionamento del rivelatore devono essere dell'ordine di 1nA; correnti di perdita maggiori comportano un peggioramento della risoluzione.Un altro parametro importante è la temperatura di lavoro, il rivelatore usato è raffreddato allatemperatura dell’azoto liquido (LiN2); in condizioni di non operatività la temperatura del cristallonon deve comunque superare i 60 C, per non diffondere le impurezze.L’installazione al Baradello utilizza un rivelatore coassiale al Ge ad alta purezza costruito dallaOrtec: una delle maggiori ditte costruttrice di rivelatori di questo genere. La casa costruttrice hacertificato le caratteristiche tecniche dello strumento, testate inizialmente dal gruppo tramitel’acquisizione oggetto di questo lavoro di tesi tramite l’acquisizione di spettri di fondo.

La catena elettronica di formatura ed acquisizione del segnale, utilizzata stabilmente nellaboratorio del Baradello, consiste in:

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- modulo Ortec alta tensione, modello 659 ;- amplificatore Ortec, modello 572;- ADC Ortec, modello 919E.

Il setup sperimentale è costituito da una schermatura del rivelatore in oggetto consistente inmattonelle di rame poste attorno al cristallo stesso:

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- schermatura a forma di parallelepipedo di dimensioni 60x60x80 cm3, in modo da assicurareal rivelatore la copertura di almeno 20 cm di rame da tutti i lati;

- apertura superiore della schermatura in modo da permettere l'introduzione dei campioni;- realizzazione di un tappo 20x20x20 cm3 estraibile tramite un paranco opportunamente

posizionato;- luce per campioni di 20x20x10 cm3; questo spazio sperimentale contiene un beaker di

Marinelli da 2 litri ed assicura il minor spazio vuoto possibile all'interno della schermatura;- copertura della schermatura con una scatola in alluminio sigillata; in essa, tramite un tubo

proveniente dal dewar, viene flussato N2 dal dewar, in modo da ridurre la presenza di radonall'interno del volume di misura.

Una schermatura così pesante sarebbe lesiva in un setup non protetto dalla radiazioneatmosferica poiché i materiali ad alto numero atomico favorirebbero la creazione di sciamielettromagnetici ed adronici. Questi andrebbero ad incidere direttamente all’interno dellastruttura del rilevatore come fondo, distruggendo totalmente sensibilità e risoluzione energetica.La struttura del laboratorio sotterraneo del Baradello previene questo fatto, assicurando unoschermo di 300m acqua-equivalenti di roccia. Il fondo radioattivo è stato campionato in tredifferenti siti con schermature differenti; in questa sezione verranno evidenziati tre di questi:

- Laboratorio di Criogenia - Insubria senza schermatura- Baradello senza schermatura- Baradello con schermatura finale

Il rame utilizzato per la realizzazione della schermatura proviene da una fruttuosa collaborazionecon il Politecnico di Milano, rappresentato nella figura del Prof. Mario Terrani e della Prof.ssaAlessandra Cesana i quali fornirono i canali per ottenere il suddetto rame, utilizzatodall’esperimento ICARUS ai LNGS. Il calcolo delle sensibilità del rivelatore al Ge per matrici ditipo ambientale evidenzia l'utilità di un sistema estremamente sensibile e ad un così basso livellodi fondo; esso è utile anche per controlli ai sensi delle leggi che regolano l'inquinamentoradioattivo.

Processi lavorativi sulla schermatura

Il rame utilizzato per la schermatura è del tipo elettrolitico ed OFHC; esso era stato utilizzato inun altro esperimento, ICARUS. Esposto all'azione dell'umidità e degli agenti atmosferici, sipresentava sporco ed ossidato; per ridurlo in mattonelle facilmente componibili per laschermatura necessitava di ulteriori lavorazioni meccaniche. Dalle lastre originarie sono statericavate mattonelle da 20x20x5 cm3 e da 10x20x5 cm3 e lastre da 60x20x5 cm3 e 30x20x5 cm3

unitamente ad alcune mattonelle speciali forate al centro per essere posizione all'interno dellaschermatura.Successivamente alla lavorazione si è proceduto ad un accurato lavaggio del rame seguito da unasua passivazione superficiale, prima di installarlo definitivamente. Dopo ricerche e prove nellaboratorio condotte presso il Laboratorio Didattico di Chimica Analitica del dipartimento, si èoptato per la seguente procedura che ha permesso di ottenere un buon livello di pulizia del rame:

1. lavaggio in sapone acido per bagni ad ultrasuoni a ph 1, diluito al 10% con acquadistillata per almeno 24 h con lo scopo di rimuovere la sporcizia che ricopre il rame;questo sapone viene usato ai LNGS per lavaggi che richiedono un alto grado di purezza,

2. risciacquo e spazzolamento con acqua distillata per rimuovere la sporcizia disgregata dalsapone e residui del sapone stesso,

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3. bagno in HCl al 50% per circa 30' (per motivi logistici non è stato possibile per le lastre)con lo scopo di rimuovere ulteriormente i composti non aggrediti dal sapone acido;

4. risciacquo accurato con acqua distillata per eliminare ogni residuo di HCl;5. bagno in acido citrico al 5% a 50 C per almeno 15' per passivare la superficie del rame ed

evitare la sua successiva ossidazione,6. bagno in acqua distillata per 10' al fine eliminare ogni residuo di acido citrico;7. asciugatura con carta ed etanolo per rimuovere eventuali residui di umidità;8. imballaggio accurato con fogli in plastica e stoccaggio nel laboratorio in attesa di portarlo

al Baradello.

Il risultato è stato il seguente:

La costruzione della schermatura si presentò faticosa e critica; la presenza di notevolisollecitazioni meccaniche prodotte dalle macchine operatrici presenti nella caverna generava unevidente rumore microfonico che avrebbe determinato una pessima risoluzione dell’apparatosperimentale.

Figura IV5 A destra il confronto fra una mattonella originaria e una processata come descritto, a sinistra una fase di lavorazione

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Il problema si risolse definitivamente mettendo un foglio di neoprene dello spessore di circa uncm sovrastato da una lastra di acciaio di spessore equivalente, in modo tale che la pesante

schermatura ed il rivelatore poggiasse su una parte piana e disaccoppiata dalle vibrazionimeccaniche descritte.

Misure

Sono stati confrontati i fondi ambientali, acquisiti in parte tramite l’acquisizione oggetto di tesicon questo HPGe, del laboratorio di criogenia dell'Università dell'Insubria e della caverna delBaradello, con il rivelatore senza schermatura. Dalla Tabella IV-IV.1 e dalle Figura IV-IV.2 eFigura IV-IV.4 si nota che il fondo imputabile alla radioattività ambientale è più alto nellacaverna che nel laboratorio di criogenia; questo fatto non è sorprendente poiché il laboratorio del

Baradello è situato all'interno di una caverna scavata in una montagna, interamente circondato dapareti di roccia.

Figura IV6 Fasi di costruzione della schermatura

Figura IV-IV.1 Differenze fra il rumore di base prima (sx) e dopo (dx) l'introduzione del neoprene

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Figura IV-IV.2 Fondo Baradello senza schermatura

Figura IV-IV.3 Fondo laboratorio di criogenia

Notevole invece è il confronto fra il fondo del Baradello senza schermatura e quello conschermatura definitiva; questo confronto rende giustizia all’idea di schermare pesantemente seprotetti efficacemente dai cosmici.

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Figura IV-IV.4 Fondo Baradello con schermatura definitiva (in blu, valori minori) con il fondo naturale delBaradello

Tabella IV-IV.1 Fondo naturale del Baradello, rilevato senza schermatura

Sensibilità del rivelatore

La determinazione della sensibilità del rivelatore avviene attraverso il calcolo di limiti dirivelabilità per alcuni tipi di campioni, tenendo conto dello stampo di tipo ambientale del tipo dimisure che si intendono effettuare in futuro con tale rivelatore.L'attenzione è stata rivolta sia a radionuclidi indicatori di fallout radioattivo, in particolare: il137Cs, lo 131I ed il 140Ba. A questi si aggiungono i radionuclidi di origine naturale dei quali ècomunque interessante misurare la concentrazione in matrici ambientali, al fine delladeterminazione della dose media annua di radioattività assorbita dall'uomo proveniente dasorgenti naturali. Nella fattispecie sono stati scelti: il 40K, il 226Ra come rappresentante dellacatena dell' 238U e l' 228Ac come rappresentante della catena del 232Th). Si è inoltre deciso di

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calcolare la sensibilità alla misura dello 26Al, radionuclide cosmogenico di particolare utilità nelladatazione dei meteoriti caduti sulla terra ma molto difficile da misurare per via della suabassissima concentrazione (<1mBq/g).

MDA ed DLEssi sono i parametri di valutazione delle attività minime rilevabili da un apparato di misuradella radioattività:MDAÉ un acronimo che sta per “minimum detectable amount” ed è un parametro che permette distimare la minima l'attività misurabile di un determinato radionuclide con un determinatorivelatore; questo indicatore si usa prima di effettuare un run per determinare anche il tempo dimisura necessario per poter rivelare un certo radionuclide con una certa attività di soglia. Sicalcola secondo la seguente formula:

dove:- Rb è il tasso di conteggio (conteggi al secondo) del fondo nello stesso intervallo energetico

in cui si pensa di vedere il picco durante la vera misura,- tg è il tempo della misura che si intende effettuare in secondi,- tb è il tempo di misura del fondo in secondi,- K è il prodotto del Branching Ratio per l'efficienza di picco del nuclide del quale si vuole

stimare il MDA.

DLÈ un altro acronimo che indica “decision level”, viene usato come valore discriminante chepermette di capire se un picco di misura sia veramente imputabile alla presenza di un determinatoradionuclide o solo una deviazione statistica del fondo; questo è un parametro che ha sensocalcolare solo dopo che è stata effettuata la detta misura. Esso dipende comunque dal tasso diconteggio del fondo secondo la seguente relazione:

dove si intende:Rb il tasso di conteggio (conteggi al secondo) del fondo dello stesso intervallo energetico in cui èposto il picco del quale si vuole capire la natura,tg il tempo della misura del campione in secondi,tb il tempo di misura del fondo in secondi.

Il risultato sui campioni scelti per la misura della sensibilità del rivelatore HPGe sito al Baradellocon la schermatura completa è il seguente:

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Campionamento tramite Filtri Aria

Campionamento su campioni di suolo

Campionamento per un litro d’acqua

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IV.VII.II Bolometri compositi Nel prossimo capitolo verranno illustrati in dettaglio i run sperimentali sul progetto innovativoper la discriminazione attiva del fondo radioattivo, ideato dal gruppo operante all’Universitàdegli Studi dell’Insubria. Nei seguenti run è stato fatto uso, per l’acquisizione dei dati, delsistema descritto in questo capitolo.

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V Rivelatori sensibili a deposizioni superficiali di energia

Il controllo e la riduzione della radiazione di fondo è una delle scommesse più importanti per gliesperimenti bolometrici di grande massa, come CUORE; la non vittoria potrebbe portare ad unacompleta inefficacia di tutto l’apparato sperimentale. Eventi a Q-valore prossimo17 a quello dellatransizione studiata riducono la sensibilità sulla misura della massa del neutrino; eventi a Q-valore maggiore sono sorgente di potenziale fondo. Il fondo radioattivo risulta determinante perla risoluzione generale dell’apparato bolometrico e assolutamente inficiante la discriminazione diun eventuale picco nello spettro nella zona del doppio decadimento beta. La parte di fondo piùattiva e importante è quella derivante da contaminazioni superficiali dei bolometri; una suadiscriminazione spaziale attiva è stata raggiunta dal gruppo di Como tramite lo sviluppo dibolometri compositi a sensibilità superficiale. I primi risultati sperimentali sono stati conseguitiattraverso la costruzione di due bolometri compositi, la raccolta dati effettuata dall’acquisizione(oggetto di questa tesi) e l’analisi off-line con software dedicati. Detti risultati hanno confermatouna netta efficacia del metodo ideato dal gruppo e verranno esposti in questo capitolo.

V.I Il problema del fondo superficiale negli esperimenti bolometrici

Tutti gli esperimenti esposti in apertura hanno un denominatore comune: la riduzione del fondoradioattivo attraverso metodologie di lavorazione a bassa contaminazione ed un rigetto datiraggiunto tramite l’applicazione di metodi software ed hardware, durante la presa dati enell’analisi18. Un metodo passivo di riduzione dello stesso consiste nel selezionare elementi,transienti doppio beta, aventi Q-valore più alti possibili; a ciò corrisponde, in natura, l’avere unnumero minore di isotopi radioattivi19. Il valori di fondo medi, a cui si attestano MiBeta eCuoricino, sono attorno a 0,2 conteggi/(keV·kg·anno) nella regione compresa entro alcune

centinaia di keV, centrata all’energia di transizione del ( )0ββ ν del 130Te (∼2,5 MeV). Per quanto

riguarda Cuoricino ed in generale gli esperimenti a setup ad esso similare, le simulazioniMontecarlo effettuate dai vari gruppi di ricerca sembrano associare detto fondo agli elementistrutturalmente più vicini ai rivelatori, anche se già trattati con processi per la riduzione dellacontaminazione:

- Strutture in rame (holder, schermi criostato, viti)- Supporti in teflon- Colla- Fili elettrici- Contaminazioni superficiali delle facce del rivelatore- Heater e i trasduttori termoelettrici.

Dallo studio dello spettro di fondo si evince che l’origine sia imputabile a contaminazioni da The U e da loro figli; questo fondo è associato generalmente a tutti i materiali. Purtroppo i tempi didecadimento del ββ(0ν) sono molto maggiori dell’età stimata dell’Universo, rendendo veloce iltempo di dimezzamento dei capostipiti delle catene di decadimento suddette nei confronti del

17 Entro qualche keV18 Ad esempio il Pulse Shape Discrimination di HM oppure il rigetto tramite l’analisi del tracciato dei due elettronidi doppio beta, utilizzato da Exo.19 Vedere tabella capitolo 1

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ββ. Ciò comporta che piccole quantità di U e Th siano un ostacolo a misure precise deldecadimento in oggetto; in particolare, gli isotopi figli 214Bi e 208Tl hanno Q-valore elevato, conspettro di decadimento associato che si va a sovrapporre in a quello di buona parte dei candidatiββ(0ν). Inoltre, questi nuclei hanno buona probabilità di emettere, per processi secondari, dueelettroni; ciò rende difficoltoso il riconoscimento di questo tipo di fondo, nonostante l’eventualeuso di rivelatori traccianti. Purtroppo, oltre alle dolorose implicazioni umane, anche eventi extra-naturali (come gli esperimenti di esplosione atomica e l’incidente di Chernobyl) hanno introdottonel sistema terrestre nuclidi a tempi di dimezzamento elevati, tipicamente 137Cs, 90 Sr o isotopi diPu.Come introdotto nel primo capitolo, la selezione ed il trattamento dei materiali costituenti ilsetup dell’apparato è il secondo passo verso una riduzione efficiente del fondo radioattivo;sempre nello stesso capitolo si rese evidente la posizione del ββ(0ν) nei confronti del ββ(2ν).L’attestazione del primo alla fine del secondo fa immancabilmente, considerando finita larisoluzione energetica dell’ apparato sperimentale, considerare l’ultimo come elemento di fondostesso. Infatti, tenendo in considerazione che:

- il rapporto fra i tempi di dimezzamento delle due tipologie di decadimento èverosimilmente contenuta in pochi ordini di grandezza

- l’end-point del ββ(2ν) può essere contenuto in parte apprezzabile entro la risoluzione,seppur alta, del bolometro

si può calcolare che la frazione F dei conteggi sperimentalmente associati al ββ(0ν) maderivanti da decadimenti ββ(2ν), raccolti di un rivelatore con banda efficace ∆E di risoluzioneenergetica, centrata su un valore di energia Q, sia:

6

e

rappresenta la risoluzione energetica FWHM(%)

dove m = massa dell'elettrone

= coefficiente dipendente debolmente da (7 per =5%)e

E

QQF

m

δα δ

α δ δ

∆ ==

Il rapporto fra l’intensità del segnale S di ββ(0ν) e quella del fondo B di ββ(2ν), può essereragionevolmente individuata nella seguente espressione:

( )12

12

21

0 7

TSF

B T

ν

ν α

−

== ⋅

da qui si deduce il fatto che la massima risoluzione possibile sia necessaria è parametrodecisivo per una conclusione non giudiziaria dell’esperimento (visto che la massa dell’elettronenon può, fino ad oggi, essere cambiata a piacimento sperimentale).

V.I.I Il fondo di CUORE-Cuoricino La determinazione del fondo in questi due esperimenti consiste nell’analisi della contaminazioneradioattiva dei materiali e del sito d’installazione dei due esperimenti20; successivamente il loroimpatto sui rivelatori è stato determinato con il metodo Monte Carlo, come accennatoprecedentemente. Nella simulazione viene trattata tutta la radiazione primaria e secondariapropagantesi nell’apparato, le cui sorgenti vengono identificate in:

- contaminazioni, di bulk e superficiali, dei materiali di costruzione prodotte dalle catene di232Th e 238U, e da quelle degli isotopi del 40K e 210Pb

- contaminazioni di bulk dei materiali dovute a riattivazione cosmogenica

20 Ai LNGS (N.d.R.)

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- contaminazioni da riattivazione e non dovute a flussi di neutroni e muoni20- contaminazioni da flusso di γ di radioattività naturale del sito20- fondo di ββ(2ν)

I risultati sperimentali ottenuti nella regione del ββ sono i seguenti:- B1 = (0,22±0,04) cont/(keV·kg·anno) per i cristalli 5x5x5 cm3

- B2 = (0,2±0,1) cont/(keV·kg·anno) per i cristalli 3x3x6 cm3

La stima delle frazioni di contributo ha comunque un’incertezza intrinseca dovuta al bassonumero di conteggi i quali rispondono, in buona sostanza, ad una statistica Poissoniana.

Regione ββ(0ν) Regione 3÷4 MeV238U e 232Th – superficie TeO2 (20±15)% (20±10)%

238U e 232Th – superficie Cu (50±20)% (80±10)%232Th – schermi Cu Criostato (30±10)% -

Per discriminare, in uno spettro di fondo, l’energia dei vari picchi di transizione viene effettuatauna calibrazione per regione α tramite fotoni di 511 e 2615 keV, seguiti da una procedura di fitdei dati per la successiva estrapolazione. L’analisi spettrale viene eseguita da spettrometri dimassa agenti su sottili strati superficiale dei materiali componenti il setup, estratti a diversispessori tramite etching chimico; così si cerca di individuare la posizione spaziale dellecontaminazioni; lo studio afferma che tipicamente dovrebbero essere localizzate:

- Sulle superfici dei cristalli, ad una profondità fino a 10 µm (U e Th)- Internamente ai cristalli (210Po)- Sulle superfici dei cristalli e delle strutture di rame (210Pb)

La riduzione degli eventi di fondo sulle superfici degli apparati di CUORE può essere raggiuntain tre modi:

- Incrementando in maniera sostanziale la qualità delle metodologie lavorative a bassacontaminazione

- Realizzando holder in cui la massa di rame affacciata ai bolometri sia ridotta di un fattore100

- Realizzando bolometri a sensibilità superficiale per la reiezione del suddetto fondo

V.II Bolometri compositi: un metodo per la reiezione del fondo superficiale

Il gruppo operante al laboratorio di fisica criogenica dell’Università degli Studi dell’Insubria,rappresentato dal Prof. Giuliani e dalla Dott.ssa Pedretti, rappresentano la sezione di ricerca esviluppo per l’esperimento CUORE-Cuoricino. Il progetto, realizzato e reso efficiente nella partepreliminare che verrà trattata, consiste nello sviluppo di un metodo di discriminazione del fondoradioattivo e della sua successiva eliminazione tramite la sensibilità superficiale. Questo metodosembra assicurare il raggiungimento del fondo di 0,001 cont/(keV·kg·anno) necessario a CUORE

per ottenere una sensibilità, in massa mββ , di 10÷20 meV necessaria per riconoscere un

neutrino di Majorana in condizioni di gerarchia degenere od inversa.

La tecnica sviluppata è certamente una delle più promettenti; questa consiste nell’utilizzo dibolometri compositi, costituiti da un bolometro tradizionale a TeO2 con accoppiati, tramiteincollaggi, schermi sottili di Ge ultrapuro funzionanti come bolometri anch’essi. I due segnaliprodotti, studiati con metodi di coincidenza temporale offrono un riconoscimento

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dell’evoluzione spaziale dell’evento, fornendo un metodo potente di rigetto dati qualora dettaevoluzione non sia sostanzialmente contenuta entro l’assorbitore principale.La rivelazione di un singolo impulso viene individuata su più canali:

- Segnale proveniente dal termistore NTD su bolometro al TeO2

- N segnali provenienti da N termistori posti ognuno su un foglio di GeQueste due classi di segnali vengono posti in anticoincidenza per la discriminazione di un eventointerno. I problemi associati a questo tipo di struttura rivelante sono essenzialmente due:

- Un aumento del numero di canali di lettura- Un efficace modellizzazione termica del sistema composito

Il gruppo di Como sta risolvendo entrambi i problemi, unificandoli: è previsto un metodo didiscriminazione, attraverso parametri temporali del solo segnale di germanio, degli eventi occorsiin tellurio e germanio. Questo metodo verrà esposto durante questo capitolo. Un metodo iniziale, dimostratosi efficace, è comunque quello di equipaggiare ogni assorbitorecon un trasduttore termoelettrico21: se una particella α esterna incide sul bolometro, essa verràcatturata da schermo di Ge provocandone un segnale sullo stesso che ,essendo in contattotermico con l’assorbitore al TeO2, ne indurrà un altro. È facile immaginare che il segnale avràampiezze e caratteristiche temporali differenti da quello prodotto sui due elementi se l’eventosarà di tipo interno.Il modello termico, nel caso venga scelto l’incollaggio del Ge sul TeO2, sarà:

21 termistore NTD

Bagno termico

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V.II.I Metodi costruttivi Il primo rivelatore composito realizzato nel corso di questa tesi è costituito da un cristallo 2x2x2cm3 di TeO2 equipaggiato con un heater, del genere usato per Cuoricino, ed un termistore NTDdella serie B35c1 di 27.55 mg sulla faccia <001> con 5 gocce di colla; su una sola faccia delcristallo è stato incollato con 4 gocce di colla (Araldite) un cristallo di Ge ultrapuro didimensioni 1.5x1.5x0.05 cm3. Sul cristallo di Ge è stato incollato un termistore NTD della serieB35c5 di 27.66 mg; l'incollaggio è stato effettuato con 5 gocce di colla di Araldite. Gli incollaggi sono stati fatti tramite un macchinario a cui è agganciato un supporto mobile con 6aghi la cui posizione è regolata da un traslatore micrometrico; l’imprecisione della macchinasovente non permette ai relativi 6 punti di colla, depositati dagli aghi, di contattare il cristallo perl’incollaggio. Da ciò il differente numero di punti di incollaggio per i diversi termistori; ladiversa conseguente risposta termica associata al diverso viene calibrata valutando la risposta delrivelatore su sorgenti campione.Il bolometro composito così costruito viene accoppiato con dei supporti di Teflon alla struttura dirame tramite viti di acciaio.

Con una sorgente si irraggia un pezzo di scotch di rame, incollato poi sullo schermo, anch’essodi rame, che avvolge la struttura del bolometro, affacciandosi così al bolometro di Ge.

Figura V-V.1 Bolometro composito: Cubo di TeO2 con foglio di Ge,entrambi equipaggiati con termistore

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V.II.II Metodo di analisi dati Per completare la catena di lettura, ferma dal capitolo precedente alla digitalizzazione, mancal’analisi off-line. I dati in uscita dal sistema di acquisizione, oggetto di questa tesi, fornisce file didati; una consistente parte dei quali sono digitalizzazioni del segnale dai bolometri. Ogni file ècomposto da un numero variabile di segmenti, ognuno dei quali è costituito secondo la strutturaposta al termine del capitolo precedente. Gli impulsi vengono registrati ponendo in testa allasequenza di short, descriventi il valore di campionamento, il tempo di trigger ed il canale diorigine. Unitamente ai file di header, sempre prodotti con puntualità dal software, essi vengono passati ai

programmi di pretrattamento del formato e successivamente di analisi:1. stransf = esso converte lo stream di short in valori differenziali, predisponendo la notevole

mole di dati ad una efficiente compattazione2. pacchetto vs_cof = sistema di programmi di analisi e visualizzazione off-line con il quale,

attraverso procedure intermedie, vengono creati spettri di rumore, impulsi medi, n-tuple icui valori sono dipendenti da una scelta completa e complessa di metodi di filtraggio, dirigetto e di formatura software degli impulsi. Sono disponibili anche routine fortementeautomatizzate per il processamento di grosse quantità di dati.

3. vs_asob = programma per lo studio delle n-uple create sotto i vincoli di taglio e filtraggioselezionati dal pacchetto vs_cof, esso permette la creazione degli spettri e delle correlazionitemporali tramite operazioni numeriche e logiche sugli elementi delle n-uple.

Le n-tuple caratterizzano l’impulso digitalizzato secondo un certo numero di parametri temporalie di tensione. Tramite le informazioni contenute nella n-tupla si può costruire lo spettro dellamisura, effettuare la ricerca di coincidenze temporali, studiare l'andamento nel tempo della lineadi base, dell'altezza e del numero di conteggi. I parametri che costituiscono la n-tupla sono: tempo di trigger dell'impulso: si registra il tempo assoluto (tempo unix); in questo modo è

possibile studiare l'andamento temporale dei conteggi nello spettro di fondo totale; altezza del segnale calcolata nel dominio del tempo o in quello delle frequenze, mediante

l’ausilio del filtro ottimo; valore della linea di base, cioè il valore della tensione prima dell'arrivo del segnale. Questo

parametro è significativo solo per segnali accoppiati in continua, perchè in questo casoconsente di controllare il valore della tensione sul bolometro prima dell'arrivo dell'impulso.Una variazione del valore della linea di base durante una misura è indicativo di unafluttuazione della risposta del sistema22;

valore quadratico medio della linea di base, per lo studio dell'andamento temporale delrumore;

parametri relativi al pile-up: quando in una stessa finestra temporale sono riconosciuti dueimpulsi viene calcolata la loro altezza e la loro distanza temporale; questi due parametrisono importanti per lo studio di eventuali segnali in coincidenza, determinati dadecadimenti radioattivi in cascata;

intervallo temporale tra l'istante di arrivo dell'impulso e dell'impulso medio, utile per lostudio delle coincidenze temporali. Si prende come istante di riferimento il tempo di arrivo

22 successiva ad una variazione della tensione di lavoro del bolometro

Figura V-V.2 Bolometro classico al TeO2 montato superiormente al bolometro composito e,sulla destra, il montaggio finale attaccato alla parte terminale del criostato

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dell'impulso medio e da questo si determina lo sfasamento relativo degli impulsi, ciascunonella propria finestra temporale;

parametro di scarto: permette di distinguere impulsi deformati, o che hanno un rumoredifferente e superiore a quello solito, o impulsi che hanno tempi caratteristici diversi daquelli dell'impulso medio.Il parametro di scarto è dato da:

( )

( )

( )2

2

2 2

1

2

1

2dove è lo scarto quadratico dell'i-esimo

punto di segnale dal corrispondente del medio2

ed N è sono i punti di campionamento per impulso

N

N

i i i ii

N

i ii

TVL s s s sN

TVR s sN

=

= +

= − −

= −

∑

∑ filtro adattivo: è un filtro numerico differente da quello di tipo ottimo; adatta la forma

dell’impulso in esame con quella dell’impulso, minimizzando lo scarto quadratico mediodei due segnali facendo variare una costante moltiplicativa che riscala l’impulsoacquisito. Essa determina una stima dell’ampiezza del segnale, in alcuni casi più precisadi quella fornita col filtro ottimo.

Il programma di analisi vs_cof produce un'unica n-tupla contenente i vettori associati a ciascunimpulso. Uno strumento potente dell'analisi dei dati è costituito dall'analisi in coincidenza,eseguita tramite vs_asob. Nel caso di più rivelatori, tracciando correlazioni temporali tramite itempi di arrivo, si può produrre uno grafico di coppie di parametri provenienti da due insiemi dirivelatori, detto scatter plot.

V.II.III Scatter plot L’origine degli eventi considerati viene graficamente intuita tramite l’ausilio dello scatter plot inampiezza: in esso vengono poste le ampiezze dell’assorbitore al TeO2 incrociandole con quelledel Ge a parità di tempo trigger. Lo standard è porre le ampiezze di Ge sulle ordinate e leampiezze di TeO2 sulle ascisse. La coincidenza temporale è determinata entro una certaincertezza temporale valutata nell’ordine delle decine di µs; essa è dovuta all’assegnazione deltempo trigger da parte del sistema di acquisizione.Nel caso di eventi interni all’assorbitore principale, la coincidenza è assicurata ed il rapportodelle due ampiezze genera una retta a caratteristica, in funzione di come è impostato il punto dilavoro dei termistori. Nel caso di un evento esterno, la pendenza sarà maggiore, poiché il Gericeverà una cessione di energia indipendente dal riscaldamento da accoppiamento termico conl’assorbitore al TeO2; per eventi in cui vi è completa cessione di energia nel Ge23, il sistematermico del Ge tenderà a saturare, individuando zone topiche dello scatter plot. Si presuppone unandamento intermedio per radiazione debolmente ionizzante, interessante entrambi gliassorbitori. La caratterizzazione del sistema è ad uno stadio iniziale; in futuro saranno presentimodelli termici più precisi, che miglioreranno la risoluzione numerica e grafica, utile alladiscriminazione della topologia spaziale degli eventi.

23 P.e. assorbimento di α

140


V.III Run 1

In questa prima serie di misure, oltre al bolometro composito, è stato raffreddato anche unbolometro classico, simile a quelli usati in Cuoricino. Questo bolometro un cristallo 2x2x2 cm3

di TeO2; sono stati incollati un heater, simili a quelli usati per Cuoricino, ed un termistore NTDdella serie B354 di 27.95 mg sulla faccia indicante <001> con 4 gocce di colla Araldite.Tutti i bolometri vengono poi chiusi in un cilindro di rame e avvitati alla mixing chamber delcriostato; lo holder è così in contatto termico massimo col punto più freddo del criostato.La sorgente α utilizzata per impiantare lo scotch di rame è una sorgente impiantata di 228Ra inequilibrio radioattivo con i suoi emettitori α figli. Essa produce un tasso di conteggio di 3 Hz. Lacatena radioattiva dei decadimenti è la seguente:

Le caratteristiche dei vari nuclidi e l'energia delle particelle α emesse sono contenute nellatabella seguente:

Durante questo run, vengono prese due serie di misure; nella prima, a cui ci si riferirà comemisura 1, sono stati acquisiti:

- il bolometro classico con filtro Bessel a 12 Hz,- il TeO2 del bolometro composito con filtro Bessel a 12 Hz- il Ge del bolometro composito con filtro Bessel a 12 Hz.

Nella seconda serie di misure, invece, sono stati studiati- il TeO2 del bolometro composito con filtro Bessel a 12 Hz- il Ge del bolometro composito con filtro Bessel a 120 Hz, in modo da non tagliare le

particelle α veloci.

I risultati ottenuti da queste misure sono molto soddisfacenti e mostrano la potenzialità di questatecnica; tuttavia, nelle prossime misure, sarà necessario ottimizzare l'apparato sperimentale dalpunto di vista del rumore microfonico, usando una scatola di sabbia che riduca le vibrazioni deitubi dovute alle pompe dell'apparato criogenico.

141


V.III.I Misura 1 Una volta raggiunta la temperatura di base, è stata collegata l'elettronica e sono state eseguite lecurve di carico, con metodo manuale, sui 3 sensori attivi.Vengono riportate le corrispondenticurve:Le resistenze di carico (RL) utilizzate sono di 20 GΩ.

La misura 1 ha registrato impulsi per un totale di circa 20 ore.

L’analisi ha portato, incrociando in coincidenza temporale i segnali dal canale di TeO2 con quellidel Ge del rivelatore composito, al seguente grafico, detto scatter plot:

Figura V-V.3 Scatter plot di segnali dall’assorbitore a TeO2 incoincidenza temporale con quelli da Ge

142


Nel grafico si vede che i punti si dispongono lungo due diverse linee; quella superiorecorrisponde al caso in cui la particella ha interagito con il bolometro di Ge mentre quellainferiore al caso in cui il rilascio di energia si è avuto su TeO2. In questo modo si è in grado didistinguere le α provenienti dallo scotch di rame corrispondenti, nel grafico in oggetto, ai segnalicon ampiezza dell'impulso su TeO2 compresa tra 25 mV e 50 mV ed ampiezza sul Ge tra 50 mVe 120 mV. In questa zona si evidenziano due gruppi, associati alle α: un primo relativo ad α dacirca 6 MeV (224Ra, 220Rn, 216Po) ed uno relativo ad α con energia attorno ai 9 MeV (212Po).Gli

eventi tra le due linee sono dovuti a raggi cosmici interagenti con entrambi i bolometri.Il setupcomprende anche un bolometro classico al TeO2, il quale aumenta il numero di classi di eventidiscriminabili dallo studio in coincidenza temporale:

a) raggi γ o cosmici incidenti sul bolometro classico e sull'assorbitore di quello composito;b) raggi γ o cosmici incidenti sul bolometro classico, sull'assorbitore di quello composito e

sul foglio di Ge;c) raggi γ o cosmici incidenti sull'assorbitore del bolometro composito e sul foglio di Ge;

I casi b) e c) sono degeneri se non si utilizza il bolometro classico nel fare l'analisi; se siincorporano i dati relativi anche a questo è possibile rigettare il caso c) e effettuare uno studiosistematico degli eventi in coincidenza temporale sui tre rivelatori, come evidenziato nel graficosuccessivo.

Figura V-V.4 Tipiche classi di eventi discriminabili

143


Questa famiglia di eventi vengono così classificati:- I punti in verde relativi a rilasci di energia sul TeO2 (sulla linea continua) sono di tipo a)- I punti verdi restanti si riferiscono al caso b) - Gli eventi in rosso posizionati tra le due linee principali che non vengono eliminati con

l'analisi in coincidenza si riferiscono invece al caso illustrato in c)

Figura V-V.5 Scatter plot di Figura V-V.3 con eventi identificati tramite il bolometrocomposito in coincidenza temporale con il bolometro classico a TeO2

144


V.III.II Misura 2

Vengono riportati i risultati corrispondenti a 3 ore di misura. Anche in questo caso vieneprodotto uno scatter plot nel quale nuovamente si riescono a distinguere le α provenienti dalloscotch di rame confermando la bontà del procedimento software e la sua riproducibilità. I valoridi riferimento identificanti la zona delle α sono relativi ad ampiezze dell'impulso su TeO2

comprese tra 30 mV e 50 mV ed ampiezze sul Ge tra 350 mV e 500 mV).É ancora possibile riconoscere le linee principali delle α, attestate sui seguenti valori:

- 5,7 MeV 224Ra- 6,3 MeV 220Rn- 6,8 MeV 216Po- 8,8 MeV 212Po

Confrontando gli scatter plot di Figura V-V.3 e quello di Figura V-V.6 si nota come abbiainfluito nella seconda misura avere usato il filtro Bessel sul Ge a 120 Hz; infatti gli impulsirelativi ad α incidenti direttamente sul cristallo di Ge hanno ampiezze maggiori rispetto allamisura 1, evidenza del fatto che in questo caso erano tagliati gli impulsi più veloci. Inoltre nelloscatter plot di Figura V-V.6, le linee principali delle α sono maggiormente discriminabili.In Figura V-V.8 si può vedere il confronto tra gli impulsi ottenuti sul Ge e sul TeO2 a seguito dirilascio di energia sul Ge, mentre in Figura V-V.7 si vede invece il confronto tra gli impulsiottenuti quando l'evento si è avuto sul bolometro di TeO2. In entrambe le figure si nota lapresenza di molto rumore, problema che si è cercato di risolvere nelle misure successive.

Figura V-V.6 Scatter plot TeO2 vs. Ge prodotto nella misura 2

145


Figura V-V.8 Sovrapposizione di segnali tipici dei TeO2 (verde) e Ge (rosso) a seguito di rilascio dienergia su Ge

Figura V-V.7 Sovrapposizione di segnali tipici di TeO2 (verde) e Ge (rosso) a seguito dirilascio di energia su TeO2

146


V.IV Run 2

In questo secondo run di misure si è raffreddato un bolometro composito diverso da quellodescritto nel paragrafo precedente. Il cristallo utilizzato come assorbitore è stato prodottotagliando un altro di TeO2 da 2x2x2 cm, ottenendone uno da 2x2x0.5 cm3. La faccia tagliata èstata lappata con polvere di allumina da 14 µm e pasta di diamante per renderla piana. Il peso delcristallo, dopo la lappatura, è di 11.90 g. Su uno dei lati a superficie minore del cristallo è statoincollato il termistore NTD B35c4 (R0 = 2,65 Ω, T0 = 7,79 K) con 6 gocce di colla Araldite, dicui 4 sono ben distinte mentre 2 sono compenetrate; sulla faccia opposta è stato incollato loheater usato nel run 1. si sono poi incollati due cristalli di germanio, delle dimensioni1.5x1.5x0.05 cm3, ognuno con 4 gocce di colla agli spigoli.Sul primo Ge (chiamato per convenzione Ge_A) viene incollato l'NTD B35c1, mentre sulsecondo (Ge_C) l'NTD B35c5; entrambi caratterizzati nel precedente run. I termistori sono statiancorati ai bolometri con 4 gocce di colla.L'irraggiamento, in questa serie di misure, è stato eseguito nel seguente modo:

- il Ge_C è stato irraggiato direttamente dalla sorgente α per un totale di 15 ore;- è stato irraggiato, come nel run precedente, un pezzetto di scotch di rame posto poi di

fronte al Ge_A. Il bolometro composito così costruito viene accoppiato con dei supporti di Teflon alla struttura dirame tramite viti di acciaio e, una volta chiuso, viene avvitato alla mixing chamber del criostato.In questa serie di misure è stato ottimizzato l'apparato sperimentale relativo al criostato, tramitel'uso di una scatola di sabbia che ha ridotto le vibrazioni trasportate dai canali di circolazionedella miscela dovute alle pompe dell'apparato criogenico.

Dalla si deduce che gli eventi che possono presentarsi sono i seguenti:

1. evento su TeO2 dovuto a particelle α provenienti dallo scotch irraggiato;2. evento su Ge_A dovuto a particelle α provenienti dallo scotch irraggiato;3. evento su Ge_C dovuto a particelle α impiantate in esso;

oltre a tutti gli eventi su TeO2, Ge_A e Ge_C dovuti a radioattività naturale e raggi cosmici, chein queste misure non possono essere riconosciuti data l'assenza di un bolometro classico con cuifare un'analisi in coincidenza temporale.

Figura V10 Bolometro composito con due schermi di Ge; si nota il supporto di rame per lo scotch irraggiato

Figura V10 Schema del composito a due sensori di Ge

147


Durante questo run, sono state acquisite cinque serie di misure (misura 3 - misura 4 -misura 5 -misura 6 -misura 7), ma dette misure non hanno permesso una coincidenza temporale poichédopo la stabilizzazione del criostato a temperatura di base, si è perso il collegamento elettricocon l'NTD sul cristallo Ge_C. Di ogni misura vengono riportati lo scatter plot e il confronto traimpulsi.

V.IV.I Misura 3 Anche in questa misura sono state compiute a mano le curve di carico sui sensori attividell'assorbitore di TeO2 e del Ge_A. Uno studio approfondito sulla correnti di fuga del FET delpreamplificatore ha permesso di ottimizzare il punto di lavoro, attestandolo su valori lontani da

comportamenti imprevedibili generati dalle fughe sul FET. I punti di lavoro utilizzati sono stati:Come da manuale, durante l'acquisizione, separatamente per ogni misura, sono state acquisite lelinee di base del rumore, in modo da potere applicare la teoria del filtro ottimo; in alcuni casiperò il rumore acquisito per motivi legati ad una procedura di salvataggio non corretta, i risultatiottenuti non sono stati soddisfacenti. All’occorrenza di queste circostanze si usa la tecnica delfiltro ottimo associata ad uno spettro di rumore bianco generato via software dai programmi dianalisi. In alcuni casi, si è inoltre dovuto utilizzare una metodologia di filtraggio di tipo adattivo,dovuto al fatto che il filtro ottimo è calibrato su una forma d’impulso tipica per bolometri alTeO2 cubici. Infatti, il segnale proveniente dal Ge e dal TeO2 hanno forme caratterizzate da tempidi salita e di discesa intrinseci completamente differenti; il software di analisi elabora gli impulsisenza discriminarli attivamente generando così parametri associati (n-tuple) calcolati su fattori diforma non corrispondenti a quelli degli impulsi reali. Il filtro adattivo valuta gli scarti quadraticidei parametri di forma rispetto ad un impulso standard e nel calibra i valori delle n-tuple relativeall’impulso in esame. La differenza uscente utilizzando un filtro adattivo, rispetto ad uno ottimo,in alcuni casi è rilevante. Il passo successivo dell'analisi consiste nell'eliminare gli impulsi doppi(fenomeno del "pile-up"), ovvero vengono eliminati gli impulsi che sono subito seguiti da unsecondo impulso la cui ampiezza è superiore del 10% di quella del primario. Una comparazioneaccurata degli scatter lo ha fatto preferire un rigetto degli impulsi doppi, utilizzato su tutte lemisure successive.In Figura V-V.10 sono rappresentati gli scatter plot della misura 3 con rumore bianco, a pile-uprigettati e metodi di filtraggio differenti. In Figura V-V.9 è illustrata la differenza in analisi, delrigetto degli impulsi doppi. La discriminazione delle α risulta oltremodo evidente.Vengono inoltre rappresentati gli impulsi generati dagli elementi di setup, a conferma delladifferenza in forma del segnale sui due assorbitori, a seconda dell’origine dell’evento. L’aliasing

148


accoppiato al segnale verrà eliminato con l’introduzione di un filtro hardware opportuno neisuccessivi run.

149


Figura V-V.9 Scatter plot di TeO2 (a) e lo stesso senzapile-up (b). Filtro ottimo.

Figura V-V.10 Scatter plot di TeO2 con filtro ottimo (a)e con filtro adattivo (b). Senza pile-up.

Figura V-V.11 Rilascio energia in TeO2 Figura V-V.12 Rilascio energia in Ge

150


V.IV.II Misura 4-5-6 In queste misure, l’obbiettivo era di trovare il miglior punto di lavoro e la risoluzione a rumorid’origine vibrazionale. Si è cercato di determinare con accuratezza il punto ottimo di lavoro delsistema termistore-bolometro tramite l’utilizzo di un heater incollato sull’assorbitore di TeO2;questo, collegato ad un impulsatore, riceve pacchetti di energia elettrica nota generando impulsitermici sull’assorbitore. Dallo studio della risposta di quest’ultimo, correlata al punto di lavorodel termistore, si cerca di massimizzare il segnale trasdotto dal termistore stesso.Inizialmente, il pacchetto inviato era un impulso quadro a 2V e di durata di 900µs, mal’induzione delle linee di trasporto interne al criostato sulle linee di segnale, faceva raccoglieimpulsi di bolometro con un deleterio impulso negativo nel pretrigger; questo sarebbe statodistruttivo per l’elaborazione dell’impulso medio in fase di analisi. Il problema è stato ovviatomandando pacchetti d’onda sinusoidali ad alta frequenza e stessa energia.Il circuito di partizione (riduzione ad 1/200) applicato allo heater, costruito in modo da

disaccoppiare una continua presente nell’impulsatore, è:Nella misura 5, venne cercato un punto di lavoro massimizzante un impulso sul TeO2; quello sulGe_A restituiva la stessa ampiezza del segnale di TeO2,qualora l’impulso provenisse da unevento interno al TeO2 stesso.

151


L’analisi è stata effettuata con il metodo del filtro ottimo e con rigetto di pile-up.Lo studio delle vibrazioni associate al rumore sui canali, tramite l’analisi spettrale sulle linee dibase, ha portato i seguenti spettri di rumore:

Si può desumere che il rumore è di origine tipica degli apparati rotativi, si nota l’azione delBessel a 12 Hz su TeO2 rispetto a quello su Ge, avente frequenza di taglio a 120 Hz.

I tipici impulsi sono stati sovrapposti ad un pick-up di segnale fra adc ed elettronica:

Figura V-V.16 Spettro di rumore su Ge

Figura V-19 Evento su TeO2, si nota la stessa ampiezza

su Ge data dal punto di lavoro ed il pick-up

Figura V-20 Evento su Ge

Figura V-V.15 Spettro di rumore su TeO2

Figura V-V.13 Misura 4 Figura V-V.14 Misura 5

152


V.IV.III Misura 7 La misura 7 ha una durata di 14 ore e viene acquisita sui punti di lavoro usati per le misure 5 e 6.si introduce il Bessel a 120 Hz anche sul TeO2. Si sono raccolte le linee di base in un tempodifferente da quello della misura; si è notato un consistente peggioramento rispetto alle misureprecedenti e ciò è stato attribuito ad una variazione del setup elettronico dell’apparatosperimentale. Per ovviare a questo problema si è deciso di effettuare l'analisi con uno spettro di

rumore bianco; l’analisi è stata eseguita con filtro ottimo e rigetto del pile-up.

Figura V-V.17 Scatter plot misura 7, con rumorebianco e filtro ottimo e rigetto pile-up

153


Avendo mantenuto lo stesso punto di lavoro delle misure precedenti, si ha conferma dellariproducibilità del metodo sui punti di lavoro. In entrambe le figure si nota la diversa forma degliimpulsi; nel caso di rilascio di energia sull'assorbitore di TeO2, gli impulsi hanno circa la stessaampiezza ma costanti di tempo di salita e di discesa diverse. Nel caso invece di rilascio dienergia sull'assorbitore di Ge_A, gli impulsi sono diversi in ampiezza. In questa misura sonostate effettuate molte comparazioni fra differenti parametri, utilizzando metodi di analisiavanzata. In viene riportato lo spettro del tempo di salita relativo agli eventi letti dal termistoresu Ge_A; da questo spettro è possibile riconoscere due classi di eventi, una caratterizzata contempo di salita centrato intorno a 6.4 ms ed una centrata attorno a 9.6 ms. si può ipotizzare cheuna classe si riferisca ad eventi avvenuti nel Ge_A (che comprendono anche la radioattivitànaturale) e una ad eventi avvenuti nel TeO2; tale deduzione è facilmente verificabile applicandoallo scatter plot di Figura V-V.17 opportuni tagli sul tempo di salita, come visualizzato nelloscatter plot di .

Figura V-V.18 Evento su TeO2 Figura V-V.19 Evento su Ge

154


Figura V-27 Spettro dei tempi di salita degli impulsi registrati. Si discriminano gli eventi su TeO

2 e su Ge

Figura V27 Spettro corretto TVR

Figura V27 Scatter plot, in blu lo stesso ristretto al taglio sui tempi di salita

Figura V27 Scatter plot, in rosso sono impulsi selezionati col taglio in TVR

Figura V-27 Spettro in ampiezza su Ge Figura V27 Spettro in ampiezza su Ge con tagli sul tempo di salita

155


Altre considerazioni che si possono fare sono legate agli spettri in ampiezza sul Ge_A e su TeO2;nello spettro di sono riconoscibili i picchi delle α relative ad eventi letti da Ge_A ed avvenutisullo stesso e i picchi delle α relative ad eventi letti da Ge_A ma indotti da TeO2. È possibileisolare gli eventi avvenuti direttamente su Ge_A facendo un taglio sul tempo di salita, comemostrato in .Con una risoluzione migliore, aumentando il numero di bin usati per la lettura dello spettro, èpossibile riconoscere anche il picco del 212Bi.Calibrando lo spettro in ampiezza, si ottiene lo spettro in energia. La corrispondenza delleenergie di decadimento con le righe riconosciute è buona; è interessante notare lo spettrocontinuo del decadimento β di 212Bi che si va a sommare a quello del decadimento α.L’estensione di questo spettro continuo è di circa 2 MeV, in perfetto accordo col fatto che il 212Biha Q = 2254.017 keV. Tale informazione è utile per capire l'origine degli eventi dello scatter plotdi Figura V-V.17 con ampiezza dell'impulso su TeO2 compresa tra 140 mV e 160 mV edampiezza sul Ge_A tra 650 mV e 750 mV.

È stato fatto inoltre un fit dello spettro calibrato, , centrando delle gaussiane in corrispondenzadei massimi dei singoli picchi; dalla larghezza a metà altezza delle gaussiane è possibile stimarela risoluzione. Come campione si usa il picco del radon, che permette di definire una risoluzionedi circa 150 keV al valore di 5685,5 keV.

Figura V31 Spettro in energia Ge misura 7 Figura V31 Spettro energia Ge misura 7, con fit

Figura V31 Spettro in energia TeO2 misura 7 Figura V31 Spettro in energia TeO

2 con

taglio sul tempo di salita

156


Le stesse considerazioni vengono rifatti sui segnali dal TeO2, individuando tre famiglie disegnali:

1. particelle α provenienti dallo scotch di rame affacciato a Ge_A che generano un impulsosu Ge_C ma che viene rivelato anche da TeO2;

2. particelle α provenienti dall'impiantazione del Ge_C che generano un impulso sullostesso ma che viene rivelato anche da TeO2;

3. particelle α provenienti dallo scotch di rame affacciato a Ge_A che arrivano direttamentesu TeO2.

In è rappresentato lo spettro totale letto dal TeO2. In realtà le famiglie che vedo sono 2, poichè iltermistore su TeO2 non si ha alcuna differenza nel caso 1 o 2 e quindi i conteggi di questi eventisi sommano originando un'unica struttura. É possibile riconoscere nello spettro gli eventiavvenuti nel Ge_A indotti poi sul termistore di TeO2, facendo opportuni tagli con il tempo disalita, ovvero selezionando gli eventi con tempo di salita 5 < RT < 7 ms, come mostrato in .

É poi possibile eliminare con l'anticoincidenza gli eventi avvenuti nel Ge_A, ottenendo quanto èrappresentato in . É interessante analizzare tale spettro: si vede che restano la radioattivitànaturale presente nel cristallo di TeO2, le righe delle α che arrivano direttamente sull'assorbitoredi TeO2 ( ampiezza > 140 mV) più una zona con ampiezza compresa tra 80 e 120 mV che nonviene eliminata con il taglio sul tempo di salita; questo significa che tali conteggi si riferisconoad eventi con tempo di salita diverso da quello del taglio ma con ampiezza simile a quella deglieventi che avvengono su Ge_A: non possono che essere le righe delle α provenientidall'impiantazione del Ge_C. Questo è in accordo col fatto che per l'assorbitore di TeO2 i duegermani sono identici e che l’attenzione prestata nel loro incollaggio ha permesso che essiabbiano lo stesso accoppiamento termico nei confronti dell’assorbitore principale. In questomodo è possibile collocare nello scatter plot di Figura V-V.17 gli impulsi indotti da Ge_C suTeO2: sono quelli con con ampiezza dell'impulso di TeO2 compresa tra 80 mV e 110 mV edampiezza sul Ge_A tra 50 mV e 100 mV.

Dai grafici illustrati si vede che è possibile discriminare gli impulsi tramite alcuni parametri, puressendo letti da un unico termistore. Si potrebbe quindi pensare di eliminare il termistore NTD

Figura V32 Spettro in energia TeO2, misura 7,

anticoincidenza con Ge_A

157


sull'assorbitore di TeO2, utilizzando solamente quello sul Ge, con il vantaggio di ridurre ilnumero di canali per l'elettronica e per l'acquisizione. Questo sarà possibile con ulteriori studi,poiché le correlazioni a disposizione rendono fattibile il procedimento, ma non sono ancoraquantitativamente definibili. In vengono mostrate le ampiezze normalizzate degli impulsi rilevati dal termistore NTD sul Ge;è evidente riconoscere due classi di impulsi:

- con tempo di salita e discesa più lunghi relative ad eventi avvenuti nel TeO2

- con tempo di salita e discesa più corti relativa ad eventi avvenuti nel Ge.

V.V Conclusioni

I bolometri compositi si sono dimostrati efficienti dal punto di vista della discriminazione dellaprovenienza dell’evento, permettendo di riconoscere un evento esterno, superficiale od interno albolometro stesso; questo è un superamento di un limite intrinseco dei bolometri, fino ad oggiincapaci di fornire informazioni sull’origine spaziale dell’evento. Essi potrebbero intervenireefficacemente nella riduzione attiva del fondo radioattivo di CUORE; questo necessita unariduzione dei costi, già in studio da parte del gruppo di Como che intende sostituire il Ge con delSi.L’ovvio aumento del numero dei canali per singolo bolometro sarà la fonte di una delle difficoltàprincipali della catena di acquisizione ed analisi di CUORE, nel caso che si renda necessaria unadiscriminazione attiva del fondo radioattivo: l’ottimizzazione delle metodologie costruttive e deimetodi di lettura dei canali sono già in progetto, al fine di rendere applicabile la suddettadiscriminazione spaziale.

Figura V-33 ampiezze normalizzate degli impulsi provenienti da Ge

158


Bibliografia generale

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le quali presentano il formalismo adottato in gran dettaglio. Un riassunto generale di tutti gliaspetti relativi al decadimento in oggetto viene esposto da:

− Faessler A and Simkovic F 1998 J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 24 2139dove viene posta molta attenzione al (0 ) secondo i modelli supersimmetrici e al calcolodell’elemento di matrice secondo la Quasiparticle Random Phase Approximation (QRPA).

Per quanto riguarda la parte criogenica, si è seguito il testo“Experimental techniques in low-temperature physics”-IV ed. scritto da G.K.White e

P.J.Meeson, Oxford Science Pubblication-ISBN 0-19-851428-X

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calorimetric CUORICINO experiment”, Phisics Letter B 584 (2004) 260-268[6]Bahcall John N and Peña-Garay C 2003 JHEP 0311 004[7]N.Booth,B.Cabrera,,E.Fiorini Annu. Rev. Nucl. Part. Sci. 46(1996)471[8]O. Cremonesi “Neutrinoless Double Beta Decay: Present and Future” , hep-ex/0210007 v1 4

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159


[21]J.T.Lee, O.K. Manuel, R.I. Thorpe Nucl.Phys. 17 (1991) S221 [22]R.Luescher et al. “Search for ββ decay in 136Xe”, Phys. Lett. 2000[23]E.Majorana, Nuovo Cimento 14 (1937) 171[24]M.Pedretti “Bolometric detectors: state of art”, Nuclear Physics B (Proc.Suppl.) 125 (2003)

380-384[25]M.Pedretti et al., “Measurement of thermal properties for modeling and optimization of

Large mass bolometers”, Physica B 329-333(2003)1614-1615[26]M. Pedretti, M.Barucci, A.Giuliani, E.Pasca, L.Risegari, E.Olivieri, G.Ventura “Large mass

bolometers for neutrinoless double beta decay detection: model and last results”proceeding di “Hard X-Ray and Gamma-Ray Detector Physics V”, San Diego,CaliforniaUSA, 4-5 Agosto 2003 su Franks et al. SPIE Proc., vol.5198 pp. 92-102.

[27]F.Pobell “Matt. And Meth. At Low Temp.”, Berlin, Springer-Verlag (1992)[28]S.Simon Nature 135 (1935) 763[29]V.I.Tretyak, Yu G. Zdesenko, At. Data Nucl. Data Tables 80 (2002) 83[30] S.Umehara “Double Beta Decay of 48Ca by CANDLES” , proposal disponibile in rete al sito

dell’università di Osaka, Giappone www.osjpu.jp/NDM03/[31] “The Heidelberg-Moskow Experiment”, Phys. Rev. D 55 (1997) 54[32] Zdesenko Yu G., Danevich F.A. and Tretyak V. I 2002 Phys. Lett. B 546 206-215

Le pubblicazioni guida per il capitolo 1 e 2 sono state:[33]S.R.Elliott e Jonathan Engel “Double Beta Decay” hep-ph/0405078 v2 (2004) [34]A.Morales “Review on Double Beta Decay Experiments & Comparison with Theory”

Nucl.Phys. B (Proc. Suppl.) 235 (1998)

I manuali per i moduli LeCroy sono:[35]LeCroy “Model 8901A CAMAC to GPIB Interface” – Aprile 1987 – Pubblicazioni LeCroy[36]LeCroy “Model 6810 Waveform Recorder” – Gennaio 1990 – Pubblicazioni LeCroy

Per la stesura del codice C, si è seguito:[37] “Programmazione in C” di B. W. Kernighan, D. Ritchie edito da Jackson Libri, II edizione.

Il libro, pietra miliare per il suddetto metodo di programmazione, offre un ottimo approccioiniziale alla programmazione in C e permette lo studio sulle delle sue funzioni piùavanzate.

[38] “Appunti di Informatica Libera” di Daniele Giacomini, versione del Gennaio 2003,disponibile sul sito ftp://na.mirror.garr.it/mirrors/AppuntiLinux . Questa pubblicazioneinformatica è, a mio parere, un vero trattato riguardante diversi sistemi operativi, sul lorouso, sui linguaggi di programmazione più noti e sul corollario software ed hardware piùnoto, associato al mondo della programmazione

Pacchetto di manuali National Instruments[39]Getting Started with Measurement Studio LabWindows/CVI – Luglio 2001 - 323552B-01[40]LabWindows/CVI User Manual – Luglio 2001 - 323661A-01[41]LabWindows/CVI Programmer Reference Manual – Luglio 2001 - 323643A-01[42]Measurement Studio LabWindows/CVI Programmer Reference Manual – Settembre 2001 -

320685F-01[43]Measurement Studio LabWindows/CVI User Manual – Settembre 2001 - 320681F-01[44]GPIB Hardware Guide – Ottobre 2001 - 370426A-01

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[45]NI-488.2 Function Reference Manual for Windows – Febbraio 1999 - 370936A-01

Per ulteriori informazioni circa la discussione sulla presunta scoperta della massa del neutrino, siconsiglia di consultare le seguenti pubblicazioni:Aalseth C. E. et al. 2002a Mod. Phys. Lett. A 17 1475-1478Feruglio F., Strumia A. and Vissani F. 2002 Nucl. Phys. B 637 345Harney H. L. 2001 Mod. Phys. Lett. A 16 2409Klapdor-Kleingrothaus H.V. 2002b Preprint hep-ph/0205228Klapdor-Kleingrothaus H.V., Dietz A. and Krivosheina I.V. 2002c Found. Phys. 32 1181-1223Klapdor-Kleingrothaus H.V., Chkvorez O., Krivosheina I.V. and Tomei C. 2003a Nucl. Instrum.

Meth. A 511 355Klapdor-Kleingrothaus H.V., Dietz A., Krivosheina I.V. and O. Chkvorets 2004 Phys. Lett. B

586 198; Nucl. Instrum. Meth. A 522 371Narsky I. 2000 Nucl. Instrum. Meth. A 450 444Zdesenko Yu G., Ponkratenko O.A. and Tretyak V. I 2001 J. Phys. G27 2129Zdesenko Yu G., Danevich F.A. and Tretyak V. I 2002 Phys. Lett. B 546 206-215

Una fonte di informazioni e di collegamenti a vari esperimenti è stata il sito dei Laboratorinazionali del Gran Sasso www.lngs.infn.it.

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sviluppo di un sistema di acquisizione per rivelatori ... · run completati e decine di test per un...

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