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

This PhD work has been carried out at the Legnaro National Laboratories (LNL), one of the four national labs of the National Institute for Nuclear Physics (INFN). The mission of LNL is to perform research in the field of nuclear physics and nuclear astrophysics together with emerging technologies. Technological research and innovation are the key to promote excellence in science, to excite competitive industries and to establish a better society. The research activities concerning electronics and computer science are an essential base to develop the control system of the Selective Production of Exotic Species (SPES) project. Nowadays, SPES is the most important project commissioned at LNL and represents the future of the Lab. It is a second generation Isotope Separation On-Line (ISOL) radioactive ion beam facility intended for fundamental nuclear physics research as well as experimental applications in different fields of science, such as nuclear medicine; radio-pharmaceutical production for therapy and diagnostic. The design of the SPES control system demands innovative technologies to embed the control of several appliances with different requirements and performing different tasks spanning from data sharing and visualization, data acquisition and storage, networking, security and surveillance operations, beam transport and diagnostic. The real time applications and fast peripherals control commonly found in the distributed control network of particle accelerators are accompanied by the challenge of developing custom embedded systems. In this context, the proposed PhD work describes the design and development of a multi-purpose Input Output Controller (IOC) board capable of embedding the control of typical accelerator instrumentation involved in the automatic beam transport system foreseen for the SPES project. The idea behind this work is to extend the control reach to the single device level without losing in modularity and standardization. The outcome of the research work is a general purpose embedded computer that will be the base for standardizing the hardware layer of the frontend computers in the SPES distributed control system. The IOC board is a Computer-on-Module (COM) carrier board designed to host any COM Express type 6 module and is equipped with a Field Programmable Gate Array (FPGA) and user application specific I/O connection solutions not found in a desktop pc. All the generic pc functionalities are readily available in off-the-shelf modules and the result is a custom motherboard that bridges the gap between custom developments and commercial personal computers. The end user can deal with a general-purpose pc with a high level of hardware abstraction besides being able to exploit the on-board FPGA potentialities in terms of fast peripherals control and real time digital data processing. This document opens with an introductory chapter about the SPES project and its control system architecture and technology before to describe the IOC board design, prototyping, and characterization. The thesis ends describing the installation in the field of the IOC board which is the core of the new diagnostics data readout and signal processing system. The results of the tests performed under real beam conditions prove that the new hardware extends the current sensitivity to the pA range, addressing the SPES requirements, and prove that the IOC board is a reliable solution to standardize the control of several appliances in the SPES accelerators complex where it will be embedded into physical equipment, or in their proximity, and will control and monitor their operation replacing the legacy VME technology. The installation in the field of the IOC board represents a great personal reward and crowns these years of busy time during which I turned what was just an idea in 2014, into a working embedded computer today.

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.