Development and testing of the atlas ibl rod pre production boards

Il lavoro di questa tesi riguarda principalmente la progettazione, simulazione e test di laboratorio di tre versioni successive di schede VME, chiamate Read Out Driver (ROD), che sono state fabbricate per l'upgrade del 2014 dell'esperimento ATLAS Insertable B-Layer (IBL) al CERN. IBL è un nuovo layer che diverrà parte del Pixel Detector di ATLAS. Questa tesi si compone di una panoramica descrittiva dell'esperimento ATLAS in generale per poi concentrarsi sulla descrizione del layer specifico IBL. Inoltre tratta in dettaglio aspetti fisici e tecnici: specifiche di progetto, percorso realizzativo delle schede e test conseguenti. Le schede sono state dapprima prodotte in due prototipi per testare le prestazioni del sistema. Queste sono state fabbricate al fine di valutare le caratteristiche e prestazioni complessive del sistema di readout. Un secondo lotto di produzione, composto di cinque schede, è stato orientato alla correzione fine delle criticità emerse dai test del primo lotto. Un'indagine fine e approfondita del sistema ha messo a punto le schede per la fabbricazione di un terzo lotto di altre cinque schede. Attualmente la produzione è finita e complessivamente sono state realizzate 20 schede definitive che sono in fase di test. La produzione sarà validata prossimamente e le 20 schede verranno consegnate al CERN per essere inserite nel sistema di acquisizione dati del rivelatore. Al momento, il Dipartimento di Fisica ed Astronomia dell'Università di Bologna è coinvolto in un esperimento a pixel solamente attravers IBL descritto in questa tesi. In conclusione, il lavoro di tesi è stato prevalentemente focalizzato sui test delle schede e sul progetto del firmware necessario per la calibrazione e per la presa dati del rivelatore.

Test hardware del primo batch di schede rod per l'esperimento atlas ibl.

L’acceleratore di particelle LHC, al CERN di Ginevra, permette studi molto rilevanti nell'ambito della fisica subnucleare. L’importanza che ricopre in questo campo il rivelatore è grandissima ed è per questo che si utilizzano tecnologie d’avanguardia nella sua costruzione. É altresì fondamentale disporre di un sistema di acquisizione dati quanto più moderno ma sopratutto efficiente. Tale sistema infatti è necessario per gestire tutti i segnali elettrici che derivano dalla conversione dell’evento fisico, passaggio necessario per rendere misurabili e quantificabili le grandezze di interesse. In particolare in questa tesi viene seguito il lavoro di test delle schede ROD dell’esperimento ATLAS IBL, che mira a verificare la loro corretta funzionalità, prima che vengano spedite nei laboratori del CERN. Queste nuove schede gestiscono i segnali in arrivo dal Pixel Detector di ATLAS, per poi inviarli ai computer per la successiva elaborazione. Un sistema simile era già implementato e funzionante, ma il degrado dei chip ha causato una perdita di prestazioni, che ha reso necessario l’inserimento di un layer aggiuntivo. Il nuovo strato di rivelatori a pixel, denominato Insertable Barrel Layer (IBL), porta così un aggiornamento tecnologico e prestazionale all'interno del Pixel Detector di ATLAS, andando a ristabilire l’efficacia del sistema.

Firmware development and testing for L1/L2 IBL upgrade

Il lavoro di questa tesi riguarda principalmente l'upgrade, la simulazione e il test di schede VME chiamate ReadOut Driver (ROD), che sono parte della catena di elaborazione ed acquisizione dati di IBL (Insertable B-Layer). IBL è il nuovo componente del Pixel Detector dell'esperimento ATLAS al Cern che è stato inserito nel detector durante lo shut down di LHC; fino al 2012 infatti il Pixel Detector era costituito da tre layer, chiamati (partendo dal più interno): Barrel Layer 0, Layer 1 e Layer 2. Tuttavia, l'aumento di luminosità di LHC, l'invecchiamento dei pixel e la richiesta di avere misure sempre più precise, portarono alla necessità di migliorare il rivelatore. Così, a partire dall'inizio del 2013, IBL (che fino a quel momento era stato un progetto sviluppato e finanziato separatamente dal Pixel Detector) è diventato parte del Pixel Detector di ATLAS ed è stato installato tra la beam-pipe e il layer B0. Questa tesi fornirà innanzitutto una panoramica generale dell'esperimento ATLAS al CERN, includendo aspetti sia fisici sia tecnici, poi tratterà in dettaglio le varie parti del rivelatore, con particolare attenzione su Insertable B-Layer. Su quest'ultimo punto la tesi si focalizzerà sui motivi che ne hanno portato alla costruzione, sugli aspetti di design, sulle tecnologie utilizzate (volte a rendere nel miglior modo possibile compatibili IBL e il resto del Pixel Detector) e sulle scelte di sviluppo e fabbricazione. La tesi tratterà poi la catena di read-out dei dati, descrivendo le tecniche di interfacciamento con i chip di front-end, ed in particolare si concentrerà sul lavoro svolto per l'upgrade e lo sviluppo delle schede ReadOut Drivers (ROD) introducendo le migliorie da me apportate, volte a eliminare eventuali difetti, migliorare le prestazioni ed a predisporre il sistema ad una analisi prestazionale del rivelatore. Allo stato attuale le schede sono state prodotte e montate e sono già parte del sistema di acquisizione dati del Pixel Detector di ATLAS, ma il firmware è in continuo aggiornamento. Il mio lavoro si è principalmente focalizzato sul debugging e il miglioramento delle schede ROD; in particolare ho aggiunto due features: - programmazione parallela delle FPGA} delle ROD via VME. IBL richiede l'utilizzo di 15 schede ROD e programmandole tutte insieme (invece che una alla volta) porta ad un sensibile guadagno nei tempi di programmazione. Questo è utile soprattutto in fase di test; - reset del Phase-Locked Loop (PLL)} tramite VME. Il PLL è un chip presente nelle ROD che distribuisce il clock a tutte le componenti della scheda. Avere la possibilità di resettare questo chip da remoto permette di risolvere problemi di sincronizzazione. Le ReadOut Driver saranno inoltre utilizzate da più layer del Pixel Detector. Infatti oltre ad IBL anche i dati provenienti dai layer 1 e 2 dei sensori a pixel dell’esperimento ATLAS verranno acquisiti sfruttando la catena hardware progettata, realizzata e testata a Bologna.

Three Generations of FPGA DAQ Development for the ATLAS Pixel Detector

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-06

The design of planar gradient coils. Part ll: A weighted superposition method

In this work a superposition technique for designing gradient coils for the purpose of magnetic resonance imaging is outlined, which uses an optimized weight function superimposed upon an initial winding similar to that obtained from the target field method to generate the final wire winding. This work builds on the preliminary work performed in Part I on designing planar insertable gradient coils for high resolution imaging. The proposed superposition method for designing gradient coils results in coil patterns with relatively low inductances and the gradient coils can be used as inserts into existing magnetic resonance imaging hardware. The new scheme has the capacity to obtain images faster with more detail due to the deliver of greater magnetic held gradients. The proposed method for designing gradient coils is compared with a variant of the state-of-the-art target field method for planar gradient coils designs, and it is shown that the weighted superposition approach outperforms the well-known the classical method.

A wave equation technique for designing compact gradient coils

A primary purpose of this research is to design a gradient coil that is planar in construction and can be inserted within existing infrastructure. The proposed wave equation method for the design of gradient coils is novel within the field. it is comprehensively shown how this method can be used to design the planar x-, y-, and z-gradient wire windings to produce the required magnetic fields within a certain domain. The solution for the cylindrical gradient coil set is also elucidated. The wave equation technique is compared with the well-known target held method to gauge the quality of resultant design. In the case of the planar gradient coil design, it is shown that using the new method, a set of compact gradient coils with large field of view can be produced. The final design is considerably smaller in dimension when compared with the design obtained using the target field method, and therefore the manufacturing costs and materials required are somewhat reduced.

Microporous polycaprolactone matrices for drug delivery and tissue engineering:the release behaviour of bioactives having extremes of aqueous solubility

Microporous polycaprolactone (PCL) matrices loaded with hydrophobic steroidal drugs or a hydrophilic drug - pilocarpine hydrochloride - were produced by precipitation casting using solutions of PCL in acetone. The efficiency of steroid incorporation in the final matrix (progesterone (56 %) testosterone (46 %) dexamethasone (80 %)) depended on the nature of the drug initially co-dissolved in the PCL solution. Approximately 90 % w/w of the initial load of progesterone, 85 % testosterone and 50 % dexamethasone was released from the matrices in PBS at 37°C over 8 days. Pilocarpine hydrochloride (PH)-loaded PCL matrices, prepared by dispersion of powder in PCL solution, released 70-90 % of the PH content over 12 days in PBS. Application of the Higuchi model revealed that the kinetics of steroid and PH release were consistent with a Fickian diffusion mechanism with corresponding diffusion coefficients of 5.8 × 10-9 (progesterone), 3.9 × 10 -9 (testosterone), 7.1 × 10-10 (dexamethasone) and 22 × 10-8 cm2/s (pilocarpine hydrochloride). The formulation techniques described are expected to be useful for production of implantable, insertable and topical devices for sustained delivery of a range of bioactive molecules of interest in drug delivery and tissue engineering.