Se presentó en la FIUNA Tesis de Maestría en Ingeniería Electrónica del Ing. Claudio Chávez Blanco

El pasado viernes 15 de diciembre, el  Ing. Claudio Rodrigo Chávez Blanco presentó exitosamente su Defensa de Tesis de Maestría en Ingeniería Electrónica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Asunción (FIUNA), titulada “Desarrollo de software de procesamiento y reconstrucción de imágenes a partir de señales digitales de dispositivos de carga acoplada por medio de doble muestreo correlacionado”. Recibiendo así el título de Máster en Ingeniería Electrónica con énfasis en Electrónica de Potencia.

Desde su creación, los dispositivos de acoplamiento de carga o Charge Coupled Devices (CCD) se han usado en la detección de imágenes tanto para aplicaciones comerciales, como también para observaciones astronómicas. Desde los años 80, todos -o casi todos- los telescopios alrededor del mundo utilizan estos detectores en su plano focal a fin de obtener las imágenes de forma digital debido a sus ventajas en términos de eficiencia cuántica, formato, y sobre todo bajo nivel de ruido electrónico.

Actualmente, con el desarrollo de la tecnología CMOS, los CCDs están perdiendo su atractivo para aplicaciones comerciales, aunque todavía son sensores de vanguardia para imágenes astronómicas debido a su tamaño, eficiencia y bajo nivel de ruido. A pesar de esto, todavía existen avances significativos en el desarrollo de la tecnología de CCD, lo que permite que cada año los científicos e ingenieros encuentren aplicaciones, como por ejemplo, en la instrumentación necesaria para las nuevas generaciones de grandes telescopios. En ese contexto, y usando como ejemplo, para el estudio de las imágenes detectadas por el telescopio del experimento Dark Energy Survey (DES) en el cerro Tololo en Chile, se desarrollaron detectores más gruesos, permitiendo que sean más voluminosos y con mayor masa.

El hecho de que estos sensores sean masivos y con ruido extremadamente bajo los convierte en candidatos ideales para ser usados como detectores de partículas de baja energía, sobre todo en procesos donde se necesite que el umbral de detección sea el menor posible. Al presentar estas cualidades excepcionales para un detector, un grupo del Silicon Detector Facility del Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), juntamente con otros científicos, decidieron utilizar estos detectores en la búsqueda de Materia Oscura (MO) de baja masa, creando así el experimento DAMIC (Dark Matter in CCDs). Actualmente el experimento está tomando datos en el laboratorio de SNOLAB localizado a 2000 m de profundidad en la mina Craighton en Sudbury, Canadá.

Si se puede medir la energía de los núcleos de los átomos que componen el CCD que retrocedieron después del choque con la hipotética materia oscura (en un proceso conocido como retroceso nuclear), entonces se puede saber la masa de los objetos que participaron en la colisión, lo que permitiría conocer la masa de la MO.  Recientes resultados experimentales y desarrollos teóricos sugieren la existencia de una partícula de MO con masa por debajo de 10 GeV, tal partícula escaparía a la mayoría de las búsquedas directas debido a que la electrónica utilizada por los grandes experimentos poseen umbrales para la detección de retrocesos nucleares elevados, impidiendo obtener información en las regiones de baja masa como lo hace DAMIC.

Pero no sólo se pueden usar estos detectores para medir la materia oscura, sino también cualquier colisión entre partículas donde la transferencia de energía al núcleo sea pequeña, como es el caso de la colisión coherente entre el neutrino y el núcleo de Silicio del CCD. Este proceso nunca ha sido observado hasta el momento en eventos de neutrinos de bajas energías, debido a que las señales obtenidas de esta manera no pueden distinguirse del ruido electrónico.

Aprovechando que los CCDs pueden medir este tipo de señales muy pequeñas, el mismo grupo propulsor del experimento DAMIC, creó el experimento CONNIE (Coherent Neutrino Nucleon Interaction Experiment) donde se busca medir la colisión coherente de neutrinos generados en un reactor nuclear, con los núcleos de silicio que componen el CCD. Este experimento se está llevando a cabo en las inmediaciones del reactor Angra II que opera en la Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto en el estado de Rio de Janeiro, Brasil.

Si bien estos sensores son relativamente masivos, se necesita una buena cantidad de detectores para aumentar la probabilidad de interacción entre los núcleos de Silicio del CCD, tanto con los neutrinos, como con la Materia Oscura.

Para elevar la probabilidad de interacción se necesita colocar cada vez más detectores dentro de los sistemas experimentales, lo que ocasiona que la electrónica de lectura de datos de los CCDs se complique cada vez más, ya que habrá que sincronizar y manipular varios sensores en forma simultánea.

Con este trabajo de maestría se busca generar una herramienta de software que sirva para el estudio, análisis y optimización del hardware del sistema de adquisición de datos a ser utilizado en las futuras modernizaciones (o upgrades) de ambos experimentos. Para esto, se va a utilizar la salida de la señal bruta del circuito de lectura de un CCD, que será digitalizada con alta tasa de muestreo, y almacenada en disco, para hacer estudios sobre los ruidos correlacionados, optimización de filtros y métodos de cálculo de pixeles en la señal.

Ante estos requerimientos, se creó un software en código C++/ROOT con el que se pudo procesar y reconstruir las imágenes generadas en un CCD, y donde se le incorporo varias opciones de filtrado a fin de demostrar la utilidad y el fácil uso de esta herramienta. Se comparó la performance de los algoritmos para distintas variaciones de la señal de forma a garantizar su funcionamiento dentro del rango de condiciones esperadas.

Esta herramienta ayudará al proceso de mejora de las tarjetas de adquisición, como el proceso de filtrado en tiempo real, métodos de cálculo de pixel, etc., ya que -en base a los resultados obtenidos con esta herramienta- se podrán introducir estas mejoras en el  firmware de los FPGAs que controlan dichas placas.

 

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