Design and Development of a Multi-Purpose Input Output Controller Board for the SPES Control System

Questo lavoro di dottorato è stato svolto presso ai Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL), uno dei quattro laboratori nazionali dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. La missione principale dei LNL è la ricerca di base nella fisica e astrofisica nucleare, sostenuta da un’importante ricerca relativa alle tecnologie emergenti. Le attività di ricerca nell’ambito dell’elettronica e dell’informatica sono essenziali per lo sviluppo del sistema di controllo del progetto SPES (produzione selettiva di specie esotiche). SPES è il progetto piú importante e rappresenta il futuro dei laboratori di Legnaro. Si tratta di una infrastruttura di tipo ISOL (separazione di isotopi in linea), di seconda generazione, il cui obiettivo è quello di generare e accelerare un fascio di ioni radioattivi dedicato alla ricerca nel campo della fisica nucleare, astrofisica nucleare, e ad applicazioni sperimentali in diversi campi della scienza come la produzione di particolari radionuclidi per la medicina nucleare che saranno utili per la diagnosi e la cura di patologie oncologiche. Il progetto del sistema di controllo di SPES sarà basato su tecnologie innovative che consentiranno di monitorare e controllare dispositivi tra loro molto diversi e che eseguono funzioni differenti che vanno dall’acquisizione e visualizzazione dei dati, condivisione dei dati in rete, memorizzazione delle informazioni, operazioni di sorveglianza, diagnostiche e trasporto del fascio. In questo contesto, il dottorato di ricerca proposto descrive il progetto e la realizzazione di una scheda elettronica di controllo (IOC) multifunzione capace di controllare quasi tutte le apparecchiature coinvolte nel trasporto del fascio di ioni radioattivi. L’idea di base di questo lavoro è quella di estendere il controllo a livello di singola apparecchiatura o piccoli gruppi di dispositivi senza rinunciare alla modularità e alla standardizzazione dell’elettronica. Il risultato del lavoro di dottorato è un computer embedded multifunzione progettato con tecnologie all’avanguardia che diventerà lo standard, a livello hardware, su cui si baserà il sistema di controllo distribuito di SPES. Questo controllore multifunzione integra tutte le funzionalità di un computer commerciale e in aggiunta è equipaggiato con un dispositivo programmabile sul campo (FPGA) e alcune periferiche non standard dedicate ad applicazioni di controllo specifiche. L’utente finale potrà sfruttare questa scheda elettronica come un qualunque pc commerciale, oppure, potrà sfruttare le potenzialità della FPGA per le elaborazioni digitali dei dati in tempo reale, per il trasferimento dei dati ad alta velocità su fibra ottica, per chiudere anelli di controllo a larga banda e per avere tempi di risposta agli stimoli in ingresso dal campo deterministici e molto brevi. Il documento apre con una introduzione sul progetto SPES prima di descrivere la progettazione, prototipizzazione e validazione della scheda IOC dando particolare risalto alle attività in cui il mio contributo è stato fondamentale. La tesi si chiude descrivendo l’integrazione della scheda IOC nel sistema di diagnostiche di fascio di SPES. Le misure del profilo di fascio eseguite sul campo e l’estensione della sensibilità di corrente a pochi pA confermano che la scheda elettronica progettata è una soluzione affidabile per standardizzare, a livello hardware, il controllo di diverse apparecchiature nel complesso degli acceleratori del progetto SPES. Questa scheda sostituirà la tecnologia VME in diverse applicazioni e sarà la base su cui implementare un sistema di trasporto di fascio automatico e di qualità, fondamentale per il successo delle attività di ricerca ai LNL. L’installazione in campo della scheda elettronica rappresenta una soddisfazione personale enorme e corona questi anni di duro lavoro durante ai quali ho trasformato quella che nel 2014 era solo un’idea, in un computer embedded pienamente funzionante.