A new analog trigger system for the Cherenkov Telescope array

La astronomía de rayos γ estudia las partículas más energéticas que llegan a la Tierra desde el espacio. Estos rayos γ no se generan mediante procesos térmicos en simples estrellas, sino mediante mecanismos de aceleración de partículas en objetos celestes como núcleos de galaxias activos, púlsares, supernovas, o posibles procesos de aniquilación de materia oscura. Los rayos γ procedentes de estos objetos y sus características proporcionan una valiosa información con la que los científicos tratan de comprender los procesos físicos que ocurren en ellos y desarrollar modelos teóricos que describan su funcionamiento con fidelidad. El problema de observar rayos γ es que son absorbidos por las capas altas de la atmósfera y no llegan a la superficie (de lo contrario, la Tierra será inhabitable). De este modo, sólo hay dos formas de observar rayos γ embarcar detectores en satélites, u observar los efectos secundarios que los rayos γ producen en la atmósfera. Cuando un rayo γ llega a la atmósfera, interacciona con las partículas del aire y genera un par electrón - positrón, con mucha energía. Estas partículas secundarias generan a su vez más partículas secundarias cada vez menos energéticas. Estas partículas, mientras aún tienen energía suficiente para viajar más rápido que la velocidad de la luz en el aire, producen una radiación luminosa azulada conocida como radiación Cherenkov durante unos pocos nanosegundos. Desde la superficie de la Tierra, algunos telescopios especiales, conocidos como telescopios Cherenkov o IACTs (Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes), son capaces de detectar la radiación Cherenkov e incluso de tomar imágenes de la forma de la cascada Cherenkov. A partir de estas imágenes es posible conocer las principales características del rayo γ original, y con suficientes rayos se pueden deducir características importantes del objeto que los emitió, a cientos de años luz de distancia. Sin embargo, detectar cascadas Cherenkov procedentes de rayos γ no es nada fácil. Las cascadas generadas por fotones γ de bajas energías emiten pocos fotones, y durante pocos nanosegundos, y las correspondientes a rayos γ de alta energía, si bien producen más electrones y duran más, son más improbables conforme mayor es su energía. Esto produce dos líneas de desarrollo de telescopios Cherenkov: Para observar cascadas de bajas energías son necesarios grandes reflectores que recuperen muchos fotones de los pocos que tienen estas cascadas. Por el contrario, las cascadas de altas energías se pueden detectar con telescopios pequeños, pero conviene cubrir con ellos una superficie grande en el suelo para aumentar el número de eventos detectados. Con el objetivo de mejorar la sensibilidad de los telescopios Cherenkov actuales, en el rango de energía alto (> 10 TeV), medio (100 GeV - 10 TeV) y bajo (10 GeV - 100 GeV), nació el proyecto CTA (Cherenkov Telescope Array). Este proyecto en el que participan más de 27 países, pretende construir un observatorio en cada hemisferio, cada uno de los cuales contará con 4 telescopios grandes (LSTs), unos 30 medianos (MSTs) y hasta 70 pequeños (SSTs). Con un array así, se conseguirán dos objetivos. En primer lugar, al aumentar drásticamente el área de colección respecto a los IACTs actuales, se detectarán más rayos γ en todos los rangos de energía. En segundo lugar, cuando una misma cascada Cherenkov es observada por varios telescopios a la vez, es posible analizarla con mucha más precisión gracias a las técnicas estereoscópicas. La presente tesis recoge varios desarrollos técnicos realizados como aportación a los telescopios medianos y grandes de CTA, concretamente al sistema de trigger. Al ser las cascadas Cherenkov tan breves, los sistemas que digitalizan y leen los datos de cada píxel tienen que funcionar a frecuencias muy altas (≈1 GHz), lo que hace inviable que funcionen de forma continua, ya que la cantidad de datos guardada será inmanejable. En su lugar, las señales analógicas se muestrean, guardando las muestras analógicas en un buffer circular de unos pocos µs. Mientras las señales se mantienen en el buffer, el sistema de trigger hace un análisis rápido de las señales recibidas, y decide si la imagen que hay en el buér corresponde a una cascada Cherenkov y merece ser guardada, o por el contrario puede ignorarse permitiendo que el buffer se sobreescriba. La decisión de si la imagen merece ser guardada o no, se basa en que las cascadas Cherenkov producen detecciones de fotones en píxeles cercanos y en tiempos muy próximos, a diferencia de los fotones de NSB (night sky background), que llegan aleatoriamente. Para detectar cascadas grandes es suficiente con comprobar que más de un cierto número de píxeles en una región hayan detectado más de un cierto número de fotones en una ventana de tiempo de algunos nanosegundos. Sin embargo, para detectar cascadas pequeñas es más conveniente tener en cuenta cuántos fotones han sido detectados en cada píxel (técnica conocida como sumtrigger). El sistema de trigger desarrollado en esta tesis pretende optimizar la sensibilidad a bajas energías, por lo que suma analógicamente las señales recibidas en cada píxel en una región de trigger y compara el resultado con un umbral directamente expresable en fotones detectados (fotoelectrones). El sistema diseñado permite utilizar regiones de trigger de tamaño seleccionable entre 14, 21 o 28 píxeles (2, 3, o 4 clusters de 7 píxeles cada uno), y con un alto grado de solapamiento entre ellas. De este modo, cualquier exceso de luz en una región compacta de 14, 21 o 28 píxeles es detectado y genera un pulso de trigger. En la versión más básica del sistema de trigger, este pulso se distribuye por toda la cámara de forma que todos los clusters sean leídos al mismo tiempo, independientemente de su posición en la cámara, a través de un delicado sistema de distribución. De este modo, el sistema de trigger guarda una imagen completa de la cámara cada vez que se supera el número de fotones establecido como umbral en una región de trigger. Sin embargo, esta forma de operar tiene dos inconvenientes principales. En primer lugar, la cascada casi siempre ocupa sólo una pequeña zona de la cámara, por lo que se guardan muchos píxeles sin información alguna. Cuando se tienen muchos telescopios como será el caso de CTA, la cantidad de información inútil almacenada por este motivo puede ser muy considerable. Por otro lado, cada trigger supone guardar unos pocos nanosegundos alrededor del instante de disparo. Sin embargo, en el caso de cascadas grandes la duración de las mismas puede ser bastante mayor, perdiéndose parte de la información debido al truncamiento temporal. Para resolver ambos problemas se ha propuesto un esquema de trigger y lectura basado en dos umbrales. El umbral alto decide si hay un evento en la cámara y, en caso positivo, sólo las regiones de trigger que superan el nivel bajo son leídas, durante un tiempo más largo. De este modo se evita guardar información de píxeles vacíos y las imágenes fijas de las cascadas se pueden convertir en pequeños \vídeos" que representen el desarrollo temporal de la cascada. Este nuevo esquema recibe el nombre de COLIBRI (Concept for an Optimized Local Image Building and Readout Infrastructure), y se ha descrito detalladamente en el capítulo 5. Un problema importante que afecta a los esquemas de sumtrigger como el que se presenta en esta tesis es que para sumar adecuadamente las señales provenientes de cada píxel, estas deben tardar lo mismo en llegar al sumador. Los fotomultiplicadores utilizados en cada píxel introducen diferentes retardos que deben compensarse para realizar las sumas adecuadamente. El efecto de estos retardos ha sido estudiado, y se ha desarrollado un sistema para compensarlos. Por último, el siguiente nivel de los sistemas de trigger para distinguir efectivamente las cascadas Cherenkov del NSB consiste en buscar triggers simultáneos (o en tiempos muy próximos) en telescopios vecinos. Con esta función, junto con otras de interfaz entre sistemas, se ha desarrollado un sistema denominado Trigger Interface Board (TIB). Este sistema consta de un módulo que irá montado en la cámara de cada LST o MST, y que estará conectado mediante fibras ópticas a los telescopios vecinos. Cuando un telescopio tiene un trigger local, este se envía a todos los vecinos conectados y viceversa, de modo que cada telescopio sabe si sus vecinos han dado trigger. Una vez compensadas las diferencias de retardo debidas a la propagación en las fibras ópticas y de los propios fotones Cherenkov en el aire dependiendo de la dirección de apuntamiento, se buscan coincidencias, y en el caso de que la condición de trigger se cumpla, se lee la cámara en cuestión, de forma sincronizada con el trigger local. Aunque todo el sistema de trigger es fruto de la colaboración entre varios grupos, fundamentalmente IFAE, CIEMAT, ICC-UB y UCM en España, con la ayuda de grupos franceses y japoneses, el núcleo de esta tesis son el Level 1 y la Trigger Interface Board, que son los dos sistemas en los que que el autor ha sido el ingeniero principal. Por este motivo, en la presente tesis se ha incluido abundante información técnica relativa a estos sistemas. Existen actualmente importantes líneas de desarrollo futuras relativas tanto al trigger de la cámara (implementación en ASICs), como al trigger entre telescopios (trigger topológico), que darán lugar a interesantes mejoras sobre los diseños actuales durante los próximos años, y que con suerte serán de provecho para toda la comunidad científica participante en CTA. ABSTRACT -ray astronomy studies the most energetic particles arriving to the Earth from outer space. This -rays are not generated by thermal processes in mere stars, but by means of particle acceleration mechanisms in astronomical objects such as active galactic nuclei, pulsars, supernovas or as a result of dark matter annihilation processes. The γ rays coming from these objects and their characteristics provide with valuable information to the scientist which try to understand the underlying physical fundamentals of these objects, as well as to develop theoretical models able to describe them accurately. The problem when observing rays is that they are absorbed in the highest layers of the atmosphere, so they don't reach the Earth surface (otherwise the planet would be uninhabitable). Therefore, there are only two possible ways to observe γ rays: by using detectors on-board of satellites, or by observing their secondary effects in the atmosphere. When a γ ray reaches the atmosphere, it interacts with the particles in the air generating a highly energetic electron-positron pair. These secondary particles generate in turn more particles, with less energy each time. While these particles are still energetic enough to travel faster than the speed of light in the air, they produce a bluish radiation known as Cherenkov light during a few nanoseconds. From the Earth surface, some special telescopes known as Cherenkov telescopes or IACTs (Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes), are able to detect the Cherenkov light and even to take images of the Cherenkov showers. From these images it is possible to know the main parameters of the original -ray, and with some -rays it is possible to deduce important characteristics of the emitting object, hundreds of light-years away. However, detecting Cherenkov showers generated by γ rays is not a simple task. The showers generated by low energy -rays contain few photons and last few nanoseconds, while the ones corresponding to high energy -rays, having more photons and lasting more time, are much more unlikely. This results in two clearly differentiated development lines for IACTs: In order to detect low energy showers, big reflectors are required to collect as much photons as possible from the few ones that these showers have. On the contrary, small telescopes are able to detect high energy showers, but a large area in the ground should be covered to increase the number of detected events. With the aim to improve the sensitivity of current Cherenkov showers in the high (> 10 TeV), medium (100 GeV - 10 TeV) and low (10 GeV - 100 GeV) energy ranges, the CTA (Cherenkov Telescope Array) project was created. This project, with more than 27 participating countries, intends to build an observatory in each hemisphere, each one equipped with 4 large size telescopes (LSTs), around 30 middle size telescopes (MSTs) and up to 70 small size telescopes (SSTs). With such an array, two targets would be achieved. First, the drastic increment in the collection area with respect to current IACTs will lead to detect more -rays in all the energy ranges. Secondly, when a Cherenkov shower is observed by several telescopes at the same time, it is possible to analyze it much more accurately thanks to the stereoscopic techniques. The present thesis gathers several technical developments for the trigger system of the medium and large size telescopes of CTA. As the Cherenkov showers are so short, the digitization and readout systems corresponding to each pixel must work at very high frequencies (_ 1 GHz). This makes unfeasible to read data continuously, because the amount of data would be unmanageable. Instead, the analog signals are sampled, storing the analog samples in a temporal ring buffer able to store up to a few _s. While the signals remain in the buffer, the trigger system performs a fast analysis of the signals and decides if the image in the buffer corresponds to a Cherenkov shower and deserves to be stored, or on the contrary it can be ignored allowing the buffer to be overwritten. The decision of saving the image or not, is based on the fact that Cherenkov showers produce photon detections in close pixels during near times, in contrast to the random arrival of the NSB phtotons. Checking if more than a certain number of pixels in a trigger region have detected more than a certain number of photons during a certain time window is enough to detect large showers. However, taking also into account how many photons have been detected in each pixel (sumtrigger technique) is more convenient to optimize the sensitivity to low energy showers. The developed trigger system presented in this thesis intends to optimize the sensitivity to low energy showers, so it performs the analog addition of the signals received in each pixel in the trigger region and compares the sum with a threshold which can be directly expressed as a number of detected photons (photoelectrons). The trigger system allows to select trigger regions of 14, 21, or 28 pixels (2, 3 or 4 clusters with 7 pixels each), and with extensive overlapping. In this way, every light increment inside a compact region of 14, 21 or 28 pixels is detected, and a trigger pulse is generated. In the most basic version of the trigger system, this pulse is just distributed throughout the camera in such a way that all the clusters are read at the same time, independently from their position in the camera, by means of a complex distribution system. Thus, the readout saves a complete camera image whenever the number of photoelectrons set as threshold is exceeded in a trigger region. However, this way of operating has two important drawbacks. First, the shower usually covers only a little part of the camera, so many pixels without relevant information are stored. When there are many telescopes as will be the case of CTA, the amount of useless stored information can be very high. On the other hand, with every trigger only some nanoseconds of information around the trigger time are stored. In the case of large showers, the duration of the shower can be quite larger, loosing information due to the temporal cut. With the aim to solve both limitations, a trigger and readout scheme based on two thresholds has been proposed. The high threshold decides if there is a relevant event in the camera, and in the positive case, only the trigger regions exceeding the low threshold are read, during a longer time. In this way, the information from empty pixels is not stored and the fixed images of the showers become to little \`videos" containing the temporal development of the shower. This new scheme is named COLIBRI (Concept for an Optimized Local Image Building and Readout Infrastructure), and it has been described in depth in chapter 5. An important problem affecting sumtrigger schemes like the one presented in this thesis is that in order to add the signals from each pixel properly, they must arrive at the same time. The photomultipliers used in each pixel introduce different delays which must be compensated to perform the additions properly. The effect of these delays has been analyzed, and a delay compensation system has been developed. The next trigger level consists of looking for simultaneous (or very near in time) triggers in neighbour telescopes. These function, together with others relating to interfacing different systems, have been developed in a system named Trigger Interface Board (TIB). This system is comprised of one module which will be placed inside the LSTs and MSTs cameras, and which will be connected to the neighbour telescopes through optical fibers. When a telescope receives a local trigger, it is resent to all the connected neighbours and vice-versa, so every telescope knows if its neighbours have been triggered. Once compensated the delay differences due to propagation in the optical fibers and in the air depending on the pointing direction, the TIB looks for coincidences, and in the case that the trigger condition is accomplished, the camera is read a fixed time after the local trigger arrived. Despite all the trigger system is the result of the cooperation of several groups, specially IFAE, Ciemat, ICC-UB and UCM in Spain, with some help from french and japanese groups, the Level 1 and the Trigger Interface Board constitute the core of this thesis, as they have been the two systems designed by the author of the thesis. For this reason, a large amount of technical information about these systems has been included. There are important future development lines regarding both the camera trigger (implementation in ASICS) and the stereo trigger (topological trigger), which will produce interesting improvements for the current designs during the following years, being useful for all the scientific community participating in CTA.

Antiguo Poblado de Algarrobito ubicado en el Valle del Elqui Chile, y su Patrón Urbano Bioclimático

La importancia de conocer bien el entorno para un proyecto arquitectónico es que podemos adaptarlo a nuestras necesidades fisiológicas de Confort Térmico. Podemos decir entonces que el edificio juega un papel fundamental como técnica de control de nuestro entorno. El edificio nos debería entregar un entorno controlado para que nos sintamos bien térmicamente, considerando además, que la arquitectura por sí misma puede lograr dicho confort la mayor parte de las veces. De no ser así, los usuarios tienden a colocar elementos mecánicos, para generar frío o calor artificialmente. Es fundamental entonces que nuestros edificios, tengan una correcta interacción con los recursos naturales del lugar para lograr dicho confort térmico. Pero lograr el Confort Térmico en todos los edificios de una ciudad como unidad, no logrará que la ciudad entera sea confortable térmicamente, ya que las complejas interacciones hacen que la problemática se deba enfrentar como algo sistémico. Esto quiere decir, que para que una ciudad o un conjunto logren la Confortabilidad Térmica deseada por sus habitantes debiera haber sido planificada conforme a variables urbanas que interactúen con el medio natural en forma eficiente. Con la observación de ciertos conjuntos habitacionales antiguos en el interior del Valle del Elqui, Chile y de sus relaciones entre variables urbanas y naturales, queda de manifiesto ciertas características que conllevan a pensar que existió una planificación ambiental en éstos que llevaron a lograr un conjunto con características bioclimáticas. Las evidencias de la existencia en primer lugar de un patrón urbanístico en dichos conjuntos habitacionales antiguos, hacen pensar que dicho patrón se trataría de un patrón bioclimático rural planificado, lo que hace que exista un gran interés por el estudio de estos conjuntos. Hasta ahora, en Chile, los pocos estudios de Confort Térmico que existen, están orientados a edificaciones aisladas, al Confort térmico interior de la edificación en el ámbito urbano, y en nada a Patrones Bioclimáticos de Conjuntos Habitacionales en una situación de ruralidad como a la referida en esta investigación. Además, los estudios referidos al clima urbano, difieren a los del clima rural, por lo que se necesitan mayores estudios aún para comprender mejor la problemática. Es por esto, que la mayoría de los casos mencionados en este estudio son contextualizados al ámbito urbano por carecer de otros estudios rurales. Es en este sentido que esta investigación cobra real importancia y pretende establecer la relación existente entre las variables morfológicas rurales y los recursos naturales del lugar y que generan un confort térmico ideal para sus habitantes, al mismo tiempo, se analiza la existencia de un Patrón Bioclimático en un poblado denominado Algarrobito ubicado en la cuenca del Valle del Elqui, Chile. Es en este sentido que el propósito principal de este trabajo es determinar la real existencia de un Patrón Bioclimático que relacione la morfología rural y edificada de los antiguos poblados pertenecientes a la cuenca del Valle de Elqui Chile con el microclima del lugar. La metodología empleada se basa en realizar primeramente el estudio del microclima del lugar a través de las Cartas Bioclimáticas. Para ello se obtuvo información de datos climatológicos de las estaciones meteorológicas ubicadas en la cuenca del Valle de Elqui, principalmente las más cercanas al lugar de estudio. Mediante una revisión exhaustiva de la información arquitectónica, así como de una labor de reconocimiento en terreno realizada en el poblado seleccionado y de la aplicación del Climograma local, se identificaron las diferentes zonas bioclimáticas del poblado antiguo y potenciales áreas de estudio en el conjunto. Esta actividad incluyó un estudio preliminar de la energía solar local, vientos, humedad, temperaturas y su interacción con el conjunto, permitiendo una primera aproximación a la problemática del espacio exterior y las viviendas. Esto permitió en base a las condicionantes del lugar, la arquitectura vernácula y los materiales descubrir un Patrón en el antiguo conjunto que permitía entregar confortabilidad térmica a sus habitantes y darse cuenta también, que el nuevo conjunto emplazado en el sector no seguía ese patrón con las disfuncionalidades que ello llevaba. Con esto quedó demostrado en primer lugar la existencia de un Patrón Bioclimático rural, los beneficios del patrón, la importancia de éste como causante de Confortabilidad Térmica del conjunto, y por ende de mejor eficiencia energética, así como también, que el nuevo conjunto no sigue para nada este Patrón, pero que existe también la posibilidad de rectificación y por supuesto, que los nuevos desarrollos residenciales del Valle del Elqui, puedan planificarse en base al patrón bioclimático descubierto. ABSTRACT Knowing the environment of an architectonic proyect is really important for adjusting it to our physiological needs of Thermal Comfort. So we can say that the building plays a key role as a technique of control of our environment. The building should give us a controlled environment to make us feel good thermally, and it usually can reach pleasurable temperatures by itself. If it isn't like that, people cooled or heated the ambience with mechanical elements. So a correct interaction between the buildings and natural resources is important to reach a thermal comfort. But achieving Thermal Comfort in all the buildings of a city as a unit will not achieve the whole city is thermally comfortable, because the complex interactions cause the problem needs to be solved as something systemic. This means that for a city or a set reach the Thermal Comfortability desired by its inhabitants, it should have been planned according to the urban variables that interact with the natural environment efficiently. Observing some old housing complexes in Elqui Valley, Chile, and the relationships between their natural and urban variables, some features lead to think that the environmental planning in these led to achieve a set with bioclimatic features. First, the evidences about the existence of an urban pattern in those old housing complexes, make thinking that the pattern would be a planned urban pattern, which generates interest in its study. In Chile, there have been few studies about Thermal Comfort, oriented to isolated buildings and indoor thermal comfort, but Bioclimatic Urban Patterns haven't been studied at all. In this sense, this investigation acquires a real importance and pretends to establish the relationship between urban variables and natural resources of the place that generates a good thermal comfort for its habitants. At the same time, the existence of a Bioclimatic Urban Pattern in Algarrobito, located in Elqui Valley basin, Chile, is analized. It is in this sense that the main purpose of this work is to determine the real existence of a Bioclimatic Urban Pattern, that links the urban and constructive form of the old villages of it with its microclimate. The methodology used is based on performing first the study of the microclimate of the place through the Bioclimatic Cards. To do this, weather stations, located in Elqui valley, near the place that was studied, were used to obtain information of climatological data. The different bioclimatic zones to the old town and potential areas of study in the set were identified, through an exhaustive review of the architectural information, a field reconnaissance work performed on the selected town and the application of the Local Climograph. This activity included a preliminary study of the local solar energy, the winds, the moisture, the temperatures, and their interaction with the set, allowing a first aproximation to troubles of outer space and housing. This allowed, based on the conditions of the place, vernacular architecture and materials, discovering an urban pattern in the old set, which allowed to give thermal comfort to its inhabitants and realize that the new set of the place did not follow this pattern, with the dysfunctions that it carried. These points demonstrated, in first place, the existence of a Bioclimatic Urban Pattern, the benefits of it, the importance of it as a cause of Thermal Comfortability, and therefore a better efficiency of energy, also that the new set doesn’t follow this Pattern at all, but that the posibility of rectification exists and, of course, that the new residencial development in Elqui Valley can be planned based on bioclimatic pattern discovered.

Influence of the semantic content of urban sounds in the identity of outer spaces

This paper shows the influence of the semantic content of urban sounds in the subjective evaluation of outer spaces. The study is based on the analysis conducted in three neighboring and integrated urban spaces with a different form of social ownership in the city of Cordoba, Argentina. It shows that the type of sound source present at each site influence, by its semantic content, in the user´s identification and permanence in the place. The noise present in a soundscape is able to have a high semantic content, and therefore the sound has a particular meaning for the perceiver. Every particular social group influences the production of their own sounds and how they perceive them. This allows to consider the sound as one of the factors that define the sense of "place" or "no place" of a certain urban space. Evidently the sounds, and their ability to evoke and characterize the environment, cannot be ignored in the construction and recovery of anthropological sites. This urban culture is unique and specific to every society. Thepublic spaces, with their soundscape, are part of the construction of the urban identity of a city. It is shown that for identical general sound levels present in each of the spaces, the level of annoyance or discomfort, in relation to the subjective acoustic quality, is different. This is the result of the influence of semantic content of the sounds present in each urban space. Coinciding with other similar research, the level of discomfort or annoyance decreases as the presence of natural sounds such as water, the wind in the trees or the birds singing increases, even when the objective values of noise level of natural sounds are higher.

Physics and applications of electrodynamic space tethers

Basic effects and dynamical and electrical contact issues in the physics of (electrodynamic space) bare tethers are discussed. Scientific experiments and powerpropulsion applications, including a paradoxical use of bare tethers in outer-planet exploration,are considered.