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Publicação
Low noise power supplies for the high voltage board of the TILECAL calorimeter
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Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
O sistema atual de distribuição de alta tensão do calorímetro hadrónico central da experiência ATLAS do CERN, TileCal, foi fabricado no final dos anos 90. Este foi projectado para estar em funcionamento durante 10 anos, no entanto jáa se encontra em funcionamento há cerca de 20 anos. Atualmente, muitos dos componentes utilizados encontram-se obsoletos o que impossibilita a sua reparação e reutilização. Por outro lado, o sistema atual encontra-se no interior da caverna ATLAS, logo encontra-se exposto a altos níveis de radiação. Esta exposição contínua a altos níveis de radiação resultantes das colisões entre os feixes de partículas, que ocorrem no LHC (Large Hadron Collider), afeta todo o sistema. O facto de o sistema se encontrar na caverna suscita ainda outros problemas, tais como, a dificuldade de reparar ou mesmo substituir qualquer componente ou placa constituinte do sistema eletrónico, danificado pela radiação ou devido ao envelhecimento eletrónico. Para se efetuar a reparação ou a substituição de componentes ou placas é necessário que o LHC pare o seu funcionamento durante alguns meses, de modo a que os níveis de radiação diminuam o suficiente para permitir que um técnico possa entrar na caverna, porém esta pausa de meses só oferece um tempo muito limitado para executar esta tarefa. Para além destes problemas tem-se ainda como um dos objetivos o aumento da luminosidade do LHC, o que vai implicar um aumento do nível de radiação na caverna ATLAS. Outro dos objetivos, é a diminuição do intervalo de tempo entre as colisões de partículas, levando à necessidade de electrónica mais rápida. Todos estes problemas e novos objetivos fazem com que seja necessário atualizar e/ou modificar toda a electrónica do TileCal. De forma a superar estes problemas, foi proposta uma actualização: um novo sistema de distribuição de alta tensão (HVDS) será colocado fora da caverna onde se encontra o detetor, passando este a ser um sistema remoto que não é afetado pela radiação, maximizando assim a fiabilidade e a robustez do sistema. A eletrónica deste novo sistema será colocada numa sala sem radiação, localizada 100 metros acima da caverna ATLAS, o que permitirá o acesso permanente ao sistema de distribuição de altas tensões. Assim, deixa de ser necessária a existência de uma paragem do funcionamento do LHC para executar reparações no sistema. Outra vantagem inerente ao sistema remoto é deixar de haver uma limitação de tempo disponível para realizar as reparações e/ou substituições, diminuindo também o risco a que o técnico está sujeito quando as executa. Para este novo sistema é necessário produzir uma placa dedicada que forneça as alimentações primárias necessárias, alta e baixa tensão, dado que no sistema atual as fontes de alimentação primárias de baixa tensão encontram-se na caverna ATLAS e as de alta tensão embora se encontrem na sala sem radiação já referida são fontes lineares de elevado custo. O trabalho apresentado nesta dissertação insere-se na colaboração portuguesa no projeto ATLAS/CERN. Este consiste no desenvolvimento de uma placa de alimentação, designada por Power Supplies, capaz de fornecer tanto a alta tensão (HV), - 830 V a -950 V, como as baixas tensões ,±12 V e 3; 3 V, sendo imperativo que todas as tensões produzidas tenham baixo ruído. Para produzir estas tensões recorreu-se à utilização de quatro conversores DC/DC, sendo que dois dos conversores DC/DC são utilizados para produzir a alta tensão, -830 V a -950 V @ 10 mA, e os restantes dois para as baixas tensões, um para os 3:3 V @ 0:8 A, e o outro que é um conversor DC/DC duplo para os ±12 @ 2:5 A. Cada HVDS fornece a alimentação para 48 fotomultiplicadores (PMTs) do detetor. Devido à corrente necessária para alimentar todos os PMTs, é necessário recorrer ao uso de dois conversores DC/DC para produzir a alta tensão. Os valores da tensão de saída dos conversores DC/DC de alta tensão são controlados digitalmente, podendo fornecer dois valores diferentes, -830 V ou -950 V. Estes valores de tensão distintos permitem que cada PMT do detetor possa receber a tensão adequada para funcionar corretamente. Dado que não existe um único componente que seja igual a outro, cada PMT terá as suas características próprias e, portanto, a sua tensão de alimentação deve ser ajustada para se obter o melhor desempenho do detetor. Estes dois valores de tensão permitem a correta calibração de todos os PMTs efetuada pelo sistema de distribuição das altas tensões. A placa que fornecerá as alimentações ao HVDS, deverá ainda oferecer algumas funcionalidades extra, tais como: a possibilidade de uma monitorização em tempo real do consumo em tensão e corrente de cada conversor, a leitura da temperatura em dois pontos diferentes da placa, a capacidade de ligar/desligar digitalmente cada um conversores DC/DC individualmente e ligar/desligar manualmente todos os conversores DC/DC ao mesmo tempo, através de um interruptor. Este último serviáa como medida de segurança caso o método digital não funcione ou em caso de substituição ou manutenção do sistema sem necessidade de recorrer ao sistema de controlo digital do ATLAS.
O controlo digital da placa Power Supplies será baseado num protocolo de comunicação
SPI e num expansor série/paralelo. Os sinais de saída do referido expansor serão os sinais
para ligar/desligar os conversores, os sinais de seleção de tensão de saída dos conversores
de alta tensão e os sinais que permitem a leitura adequada e em tempo real dos consumos de
tensão e de corrente e dos sensores de temperatura utilizados. Estas leituras são efetuadas
recorrendo ao controlo digital de um multiplexador analógico e a um conversor analógico digital (ADC). Ainda no âmbito desta tese, à apresentada a interface gráfica de utilizador (GUI) desenvolvida na linguagem de programação Python. Esta foi utilizada para facilitar a comunicação entre a placa Power Supplies e o utilizador. A interface gráfica está dividida em três secções diferentes, de forma a ser mais intuitiva para o utilizador. A primeira secção é a secção responsável por ligar/desligar os conversores DC/DC, sendo que esta apresenta quatro caixas de seleção, uma para cada conversor, que quando selecionadas pelo utilizador, executam o código responsável por enviar a instrução ao expansor para enviar o sinal de ligar/desligar para os conversores DC/DC selecionados. Na segunda secção encontram-se representadas duas barras deslizantes, às quais se encontra associado um cursor que se pode deslocar entre duas posições distintas, associadas à selecção da tensão de saída de cada um dos conversores DC/DC de alta tensão. Associada à posição do cursor encontra-se também um texto informativo que permite que o utilizador verifique se a tensão seleccionada é a pretendida. A terceira e última secção é a da leitura dos consumos de tensão e de corrente assim como das duas temperaturas lidas por dois sensores de temperatura colocados em pontos distintos da carta. Esta leitura pode ser feita de duas formas diferentes, pode ser feita uma única medida através da seleção de botões dedicados que apenas permitem selecionar uma opção de cada vez, sendo o resultado da leitura apresentado em duas caixas. A primeira caixa com a leitura em contagens do ADC, que é o valor que o ADC fornece diretamente, e a segunda caixa com a leitura do valor correspondente ao que se está efetivamente a medir com a respetiva unidade física. A outra forma envolve um conjunto várias medições contínuas de uma das grandezas anteriormente referidas, sendo que o utilizador pode escolher o número de medições pretendidas e o intervalo de tempo entre cada medida. Os valores lidos/medidos através deste método são apresentados em gráficos diferentes em função do tempo atualizados em tempo real, sendo possível guardar estes dados num ficheiro do tipo csv. O trabalho desta dissertação consistiu no desenvolvimento de uma placa que irá fornecer as alimentações primárias necessárias para o novo sistema de distribuição de alta tensão, e no desenvolvimento da interface gráfica de utilizador dedicada para esta placa que permitirá o
seu teste funcional e que será mais tarde migrada para o teste de controlo digital do ATLAS.
The current system that distributes high voltage to the hadronic calorimeter TileCal of the ATLAS experiment at CERN was manufactured in the late 1990s and now many of its components are obsolete. In addition to this, the continuous exposition to high levels of radiation that results from the LHC collision affects the whole system. The calorimeter itself will be upgraded and a faster and low noise electronic will be needed. Given this, an update was proposed to mitigate these problems: a new high voltage distribution system (HVDS) placed outside of the detector, a remote system which will not be affected by the radiation, that maximize the reliability and robustness of the system. For this new system it is necessary to produce a dedicated board that provides the necessary primary supplies. Therefore, the presented work consists in the development of a power supply board capable of providing both high voltage (HV), 830 V and 950 V, and low voltage, _12 V and 3:3 V, with low noise, resorting to DC/DC converters. Each HVDS provides the supply to 48 photomultipliers tubes (PMTs) of the detector. Due to the current needed, two high voltage sources are available, each one to supply just half of the PMTs. The values of the provided HV supplies are digitally controlled to one of the referred values, so each PMT of the detector can receive the right voltage to work correctly. Besides that, this board is controlled by a serial peripheral interface (SPI) communication protocol and has an analog to digital converter (ADC) and an analog multiplexer that are used to provide the user monitoring of all supply voltages and currents in real-time as well as the temperature, in two different positions of the board, in real time. A graphical user interface (GUI) has also been developed which allows easy communication between the power supply board and the user.
The current system that distributes high voltage to the hadronic calorimeter TileCal of the ATLAS experiment at CERN was manufactured in the late 1990s and now many of its components are obsolete. In addition to this, the continuous exposition to high levels of radiation that results from the LHC collision affects the whole system. The calorimeter itself will be upgraded and a faster and low noise electronic will be needed. Given this, an update was proposed to mitigate these problems: a new high voltage distribution system (HVDS) placed outside of the detector, a remote system which will not be affected by the radiation, that maximize the reliability and robustness of the system. For this new system it is necessary to produce a dedicated board that provides the necessary primary supplies. Therefore, the presented work consists in the development of a power supply board capable of providing both high voltage (HV), 830 V and 950 V, and low voltage, _12 V and 3:3 V, with low noise, resorting to DC/DC converters. Each HVDS provides the supply to 48 photomultipliers tubes (PMTs) of the detector. Due to the current needed, two high voltage sources are available, each one to supply just half of the PMTs. The values of the provided HV supplies are digitally controlled to one of the referred values, so each PMT of the detector can receive the right voltage to work correctly. Besides that, this board is controlled by a serial peripheral interface (SPI) communication protocol and has an analog to digital converter (ADC) and an analog multiplexer that are used to provide the user monitoring of all supply voltages and currents in real-time as well as the temperature, in two different positions of the board, in real time. A graphical user interface (GUI) has also been developed which allows easy communication between the power supply board and the user.
Descrição
Tese de mestrado integrado, Engenharia Física, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2019
Palavras-chave
CERN ATLAS Fonte de Alimentação Baixo ruído TileCal Tubos fotomultiplicadores (PMTs) Interface série (SPI) Conversor analógico-digital (ADC)