ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Preventivo per l`anno

Transcript

Codice
Esperimento
Gruppo
PPC
5
Rapp. Naz.: Arnaldo Stefanini
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA
NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2005
Rappresentante nazionale:
Struttura di appartenenza:
Posizione nell'I.N.F.N.:
Arnaldo Stefanini
PI
INFORMAZIONI GENERALI
Sviluppo di un sistema per l'imaging basato su un rivelatore a pixel con read−out ottico parallelo
Linea di ricerca
Laboratori delle Sezioni di Pisa, Napoli e Cagliari
Laboratorio ove
si raccolgono i dati
PPC
Sigla dello
esperimento
assegnata
dal laboratorio
Acceleratore usato
Fascio
(sigla e
caratteristiche)
Interazione raggi X materia
Processo fisico
studiato
Sorgente di raggi X microfocus
Apparato
strumentale
utilizzato
Sezioni di Pisa, Napoli e Cagliari
Sezioni partecipanti
all'esperimento
Istituzioni esterne
all'Ente partecipanti
2 anni
Durata esperimento
Mod EC. 1
(a cura del responsabile nazionale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Struttura
CA
Codice
Esperimento
PPC
Resp. loc.: Paolo Randaccio
Gruppo
5
PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L'ANNO 2005
In KEuro
IMPORTI
VOCI
DI
SPESA
DESCRIZIONE DELLA SPESA
Parziali
Totale Compet.
SJ
riunioni di collaborazione e trasferte tecniche
di cui SJ
4,0
4,0
congresso IEEE e contatti con il CERN
6,0
6,0
costruzione Hub per multiplexer con link ottico
6,0
assemblaggio schede: motherboard, PCI, Hub, chip−board
2,0
microbonding quad−chip
3,0
componentistica
4,0
Consorzio
Ore CPU
Spazio Disco
Cassette
15,0
Altro
due sonde ottiche per oscilloscopio Tektronix P6701B, P6703B
10,0
10,0
Totale
35,0
di cui SJ
0,0
Sono previsti interventi e/o impiantistica che ricadono sotto la disciplina della legge Merloni ?
Breve descrizione dell'intervento:
Mod EC./EN. 2
(a cura del responsabile locale)
A cura della
Comm.ne
Scientifica
Nazionale
Struttura
NA
Codice
Esperimento
PPC
Resp. loc.: Maria Cristina Montesi
Gruppo
5
In KEuro
IMPORTI
VOCI
DI
SPESA
Parziali
Totale Compet.
SJ
riunioni di collaborazione e test presso le sezioni degli altri gruppi partecipanti a PPC
di cui SJ
6,0
6,0
partecipazione alle riunioni della collaborazione internazionale MPX2
4,0
partecipazione a 2 conferenze
4,0
progettazione ed upgrade del sistema di read−out parallelo
5,0
realizzazione chipboard per read−out parlallelo con rivelatore 512x512
5,0
rivelatori CdTe
5,0
acquisto sorgente liquida di I−125
1,0
metabolismo laboratorio
4,0
Consorzio
Ore CPU
Spazio Disco
Cassette
8,0
20,0
Altro
Totale
34,0
di cui SJ
0,0
Mod EC./EN. 2
A cura della
Comm.ne
Scientifica
Nazionale
Struttura
PI
Codice
Esperimento
PPC
Resp. loc.: Arnaldo Stefanini
Gruppo
5
In KEuro
IMPORTI
VOCI
DI
SPESA
Parziali
Totale Compet.
SJ
riunioni e Misure presso altre sezioni partecipanti a PPC
di cui SJ
8,0
8,0
Missioni per MPX2 collaboration Meetings
6,0
2 congressi internazionali
4,0
Bump bonding
31,0
Upgrade software Labwindows/CVI
0,5
Metabolismo laboratorio e clean room
1,5
Consorzio
Ore CPU
Spazio Disco
Cassette
10,0
33,0
Altro
Oscilloscopio digitale
3,5
Slit per caratterizzazione sistema imaging
2,5
Alimentatore da banco
1,5
banco ottico
1,0
Totale
8,5
59,5
di cui SJ
0,0
Mod EC./EN. 2
A cura della
Comm.ne
Scientifica
Nazionale
Struttura
CA
Codice
Esperimento
PPC
Gruppo
5
ALLEGATO MODELLO EC2
L’attività svolta nell’ambito del progetto PPC dal laboratorio gruppo V della sezione INFN di Cagliari comprende la
realizzazione del sistema elettronico per l’acquisizione dinamica di immagini radiologiche digitali. Il progetto è basato su
una matrice 2x2 di rivelatori ibridi, formati dal chip di readout Medipix2 assemblati con rivelatori al silicio, e prevede la
connessione ad un personal computer attraverso un link ottico GLINK2 ed una scheda di interfaccia PCI. A tal fine, è
stata prevista la costruzione di quattro schede elettroniche chiamate Chipboard, Motherboard, Hub e PCI Card. Il
sistema di acquisizione progettato prevede di leggere la matrice in circa 5 ms, consentendo una frequenza di
acquisizione di 20 frame/s (con un dead time del 10 %).
La scheda Chipboard contiene i quattro chip Medipix2, i condensatori di disaccoppiamento per l’alimentazione, un
sensore di temperatura, quattro ADC a 10 bit e due connettori ad alta densità da 100 pin per la connessione alla scheda
Motherboard. E’ previsto un connettore per effettuare il test dei chip attraverso un impulsatore esterno. Il progetto della
scheda è stato da poco ultimato e si prevede la definizione del layout per la fine di Luglio 2004.
La Motherboard è la scheda di controllo dei chip Medipix2: deve gestire i segnali di configurazione dei chip, la lettura dei
dati e l’interfaccia con il link ottico. Contiene i connettori per la connessione elettrica della Chipboard, una logica
programmabile FPGA, i buffer per il bus parallelo dei chip, un DAC quadruplo, un modulo ottico per la trasmissione dei
dati (32 bit) e un modulo di ricetrasmissione dei segnali di controllo (16+16 bit).
La scheda HUB ha lo scopo di gestire l’interfaccia tra il protocollo di trasmissione del link ottico e quello della scheda PCI
Card. Contiene un modulo ottico per la ricezione dati (32 bit) e un modulo di ricetrasmissione dei segnali di controllo
(16+16 bit), quattro memorie FIFO (16 x 256 Kbit) e una logica programmabile FPGA per la gestione dei segnali di stato
delle elettroniche. E’ stato già predisposto un progetto di massima della scheda HUB e una bozza del layout della
scheda.
La scheda PCI card serve per gestire il sistema di acquisizione attraverso un PC. E’ una scheda PCI standard per bus a
32 bit, 33 MHz con funzione di accesso diretto alla memoria (DMA). Rispetto alle scheda PCI realizzate in precedenza, il
DMA consente un sostanziale incremento di prestazioni relativamente alla velocità di acquisizione: sino a 90 Mbyte/s
contro i 10 Mbyte/s delle schede slave (con S.O. Windows). La PCI card contiene una logica programmabile FPGA per la
gestione del bus dati e dei segnali di controllo del bus, un bridge PCI Master PLX9054, due banchi di SRAM sincrona
(sino a 8 Mbit) e una logica programmabile CPLD per la gestione della SRAM e degli indirizzi. La scheda PCI è già stata
realizzata ed è attualmente in fase di assemblaggio.
La suddivisione del sistema di acquisizione in quattro parti, sommariamente descritta sopra, ha lo scopo di
Mod EC./EN. 2a Pagina 1
Struttura
CA
Codice
Esperimento
PPC
Gruppo
5
rendere il sistema flessibile e scalabile: la sistemazione dei chip Medipix2 su una scheda (Chipboard) separata dalla
scheda di gestione (Motherboard) consente di sostituire e testare le matrici di rivelatori su una stessa Motherbord e
viceversa; la scheda HUB potrebbe essere espansa modularmene per la gestione di un numero superiore di
Motherboard; la PCI Card può essere utilizzata come scheda di I/O general purpose utilizzabile anche in altre
applicazioni.
Attività 2005
Obiettivo globale: produzione di una piccola serie di sistemi completi comprendenti:
¾ scheda acquisizione dati PCI;
¾ modulo hub con interfaccia ottica;
¾ una o più motherboard;
¾ una o più chipboard con rivelatore multiplo.
Ogni gruppo della collaborazione avrà un sistema completo da usare per le applicazioni previste dal progetto. Il gruppo di
Cagliari realizzerà un sistema di radiologia digitale per acquisire immagini dinamiche.
Milestones:
marzo 2005: completamento progetti dell’intero sistema;
giugno 2005: produzione della scheda hub;
settembre 2005: test globale del sistema e prime acquisizioni;
dicembre 2005: applicazioni.
PPC – Progetto del sistema di
acquisizione
Progetto preliminare
Schema a blocchi
Schema del sistema PPC
+5 V
HUB card
Glink
PCI card
+5 V
Motherboard
Chipboard
Overview PPC: scheda PCI
Scheda di acquisizione e controllo del sistema attraverso il PC.
Tipo PCI 32bit/33MHz Universale
Short size: ~ 10 x 18 cm2
DMA
8 Mbit di memoria RAM statica
Programmabile
I/O con flat cable 100 pin (o 2x80 pin)
Overview PPC: HUB
Scheda di interfaccia, attraverso bus ottico G2LINK, tra scheda
PCI e Motherboard. L’implementazione della sezione ottica in
questa scheda (separandola da quella PCI) consente una
maggiore scalabilità del sistema.
Contiene 1 modulo ottico tipo RTX (canale control/data
bidirezionale) ed un modulo ottico RX_dual (canale data
unidirezionale). I moduli ottici leggono/scrivono (dal lato PCI)
su memorie FIFO in modo interfacciare i due domini di clock
asincroni (PCI e link ottico/motherboard).
Alimentazione esterna 5V, 2 A (ogni dispositivo ottico avrà un
suo regolatore di tensione).
Overview PPC:
motherboard
Scheda di interfaccia per i chip Medipix2 (montati sulla
chipboard): deve gestire la configurazione e la lettura dei dati
dei chip e l’interfaccia con il link ottico.
Conterrà i driver per la porta parallela, convertitori LVDS !"
CMOS, 4 DAC, una logica programmabile
Alimentazione esterna 5 V, 5 A* (" 3.3 V, 2.2 V)
*(4 chip)
Overview PPC: chipboard
Su questa scheda saranno microsaldati i chip Medipix2 (matrice
2x2). Attraverso degli appositi connettori tale scheda verrà
connessa elettricamente e meccanicamente alla scheda
motherboard secondo lo schema raffigurato
Sulla chipboard è presente un sensore di temperatura AD7417
con interfaccia I2C: i 4 ADC presenti sullo stesso integrato
potrebbero essere sfruttati per leggere i DAC interni di ciascun
chip.
PPC – Scheda HUB
Schema a blocchi
Schema a blocchi HUB
40 MHz
+5 V
3.3 V
3.3 V
100 pin Conn
Clock
splitter
FIFO
FIFO
TX/RX
FIFO
FIFO
RX_dual
3.3 V
Glink
PLD
Componenti scheda HUB
• 1 modulo ottico G2RX_dual (32 bit)
• 1 modulo ottico G2RTX (16 bit bidirez. – half duplex)
• 2 FIFO di lettura (256k x 18 bit) – 100 pin TQFP
• 2 FIFO di lettura/scrittura (256k x 18 bit) – 100 pin TQFP
• Oscillatore al quarzo 40 MHz (50 ppm) - SMD
• Distributore di clock CY2309 (1"8) - SMD
• ? PIC con interfaccia I2C per gestire i segnali I2C e la logica
della scheda HUB o altro PLD
• 3 stabilizzatori lineari di tensione 3.3 V, 1.5 A – D2PAK
40 MHz
Schema a blocchi RX_dual
FIFO_RX_0
CLK_PCI
D<31..16>
RD0#
WR_EN
EmptyF_TX EF
CLK_RD
Q<31..16>
RD_EN
FF
40MHz_Hub
RX_Q<15..0>
DAV0#
FullF_RX
G2LINK
RX_dual
FIFO_TX
RD1#
FullF_TX
RESET#
TRG0#
TRG1#
ERR0
ERR1
D<31..16>
RD_EN
FF
CLK_RD
Q<31..16>
CLKOUTRX
RX_Q<31..16>
DAV1#
WR_EN
EF EmptyF_TX
Logica
RDY0
RDY1
SD0
SD1
PASS<0,1>
A<0,1>
DOUT<31..16>
CLK_WR
I2CSCL
CLK_PCI
I2CSDA
100 pin Conn
DOUT<15..0>
CLK_WR
Schema a blocchi TRX
FIFO_RX_0
CLK_PCI
RD_TRX
Empty_F0
40MHz_Hub
CLK_WR
Q<15..0>
D<15..0>
RD_EN
EF
WR_EN
FF
G2LINK
TRX
TRX_Q<15..0>
DAVRX#
Full_F0
FIFO_RX_1
D<31..16>
40MHz_Hub
CLK_RD
TRX_D<15..0>
Q<31..16>
RD1#
WR_EN
Empty_F1 EF
RD_EN
FF
DAVTX
Full_F1
Empty_F0
Full_F0
Empty_F1
Full_F1
Logica
RESET#
TRG0#
TRG1#
RDYRX
RESET#
A<0,1>
DIN<15..0>
CLK_WR
I2CSCL
CLK_PCI
I2CSDA
100 pin Conn
D<15..0>
CLK_RD
FIFO IDT72V263
256k x 18 (4Mb) - 100 pin TQFP
HUB: layout
CDC
RX
RX
TX
3.3
3.3
3.3
CLK
PLD
Conn 100p – 0.635”
?
RX
?
PPC – Scheda PCI
Schema a blocchi
Scelte progettuali
FPGA per la gestione dell’interfaccia tra il bus locale e
“l’esterno” (scheda HUB)
flessibilità e logica riconfigurabile
CPLD per la gestione della RAM statica
la FPGA non ha il n° di piedini sufficiente
gestione separata
RAM statica come memoria di servizio
8 Mbit corrispondono a 8 chip Medipix2
più veloce e non ha cicli di refresh
Connettori fine pitch a 80 poli con una fila di contatti a
massa per una maggiore immunità ai rumori sul flat cable
Schema a blocchi PCI card
32
PROM
80 pin Conn
80 pin Conn
??
16
FPGA
17 32
16
CPLD
32
10
Control
Address
Data
40 MHz
Clock
splitter
SRAM
17
30
32
BRIDGE
4
Data/Address
Control
PCI bus 32 bit / 33 MHz
EEPROM
5V"3.3V
5V"1.8V
Componenti PCI card
Bridge PLX9054 + E2PROM (configurazione locale)
EEPROM 93CS56L Microwire
FPGA Xilinx XC2S200-5 (PQFP208)
PROM Xilinx X18V04 (PC20)
CPLD Xilinx XC9572XL (PQFP100)
2 x SynchronousSRAM 4Mbit (tipo IDT71V3579)
Clock 40 MHz + distributore di clock CY2305
2 x Header fine pitch (0.25”) 80 pin (3M 81080)
1 x Connettore lemo EPM 00 (Shutter esterno)
Reg. lin. di tensione REG117A (1.8V) DDPAK
Reg. lin. di tensione LD1086 (3.3V) DDPAK
Distributore di clock CY2305 (1"5)
Schema a blocchi FPGA
6
PROM
8
3
GP I/O
LVDS
32
32
GP I/O
CMOS
FPGA
Buffer
IN
Data
Logic
Register
OUT
Control
Signals
Logic
??
32
3.3 V
1.8 V
3
Control (from CPLD)
CONTROL
ADDRESS
DATA
Schema a blocchi CPLD
??
FPGA
FPGA
Control
Logic
Bus
Arbitration
Logic
SSRAM
Control
Logic
?
ADDRESS
CONTROL
CONTROL
Local Bus
ADDRESS
16
30
Address
Decode
Logic
SSRAM
Address
Logic
CPLD
SSRAM
3.3 V
Clock
Clock
SSRAM
Scheda PCI: layout
17.7 cm
XILINX
SRAM
E2
CDC
CLK
80 PIN RX2 CONN
9.8 cm
SRAM
PLX
E2
XILINX
XC9572
1.8
80 PIN RX2 CONN
XC2S…
PCI9054
3.3
Scheda PCI: layout (2)
Status dei lavori (al 10/05)
SCHEDA PCI :
quasi terminato (98%): consegna lavori per 15/05
SHEDA HUB:
Schematico definito al 50%
Layout impostato (solo posizionamento dei componenti)
Consegna lavori: fine Giugno
SCHEDA MOTHERBOARD: da fare a Cagliari!
SCHEDA CHIPBOARD: affidata a Napoli
Status dei lavori (al 17/06)
SCHEDA PCI :
In produzione: consegna prevista per fine Giugno
SHEDA HUB:
Schematico definito al 50%
Layout impostato (solo posizionamento dei componenti)
Consegna lavori: Ottobre (?)
SCHEDA MOTHERBOARD: Ottobre (?)
SCHEDA CHIPBOARD: bozza per il 9/07/04
A portable acquisition system based on USB
standard for the Medipix2 chip
V. Fanti, R. Marzeddu, P. Randaccio
Università degli Studi di Cagliari
Dipartimento di Fisica
Sezione INFN Cagliari
Università degli Studi di Cagliari and Sezione INFN di Cagliari – Cagliari, Italy
Second Malmö Conference on
Medical X-ray Imaging
Malmö, Sweden
23-25 April, 2004
Abstract
We describe the project of a readout system for the Medipix2 single photon counting chip, which has been developed for X-ray medical imaging in the framework of the Medipix2 collaboration
(http://www.cern.ch/medipix). The Medipix2 chip (256 × 256 pixels, 55 µm pitch) has an active area of about 2 cm² and is presently bump-bonded to a pixel semiconductor array of Si or CdTe.
The readout system is based on USB (Universal Serial Bus) PC interface which is nowadays a widespread standard. The main characteristics of the system are: use of the serial Medipix2 port;
possibility of performing some tests of the chip such as input pulse and internal DAC (Digital-to-Analog Converter) readout; reduced size which makes it suitable for special applications such as dental
radiology. The system consists of two boards: the first one (Demo Card) houses Medipix2, the Microcontroller, a voltage reference circuit, a LVDS (Low Voltage Differential Signaling) driver/receiver
and power supply filters and capacitors; the second one is a power supply card needed to provide the 2.2 V supply to Medipix2 and the bias voltage to the detector.
The Medipix2 chip
•
•
•
•
•
•
•
What we have now: Medipix2 Parallel Readout System
Single photon counting chip
Energy window selection
No. of pixels: 256 X 256
Pixel size: 55µm x 55 µm
Active area: 1.982 cm2
13-bit counter per pixel
Serial or parallel (32-bit) I/O
The chip bumpbonded to 300 µm
Silicon sensor
Image of a house fly with
X-ray tube 14 kV, taken at
CERN with MUROS2
serial readout
Sample pictures of: 1. small tube filled with iodated
contrast medium; 2. resistor network; 3. metal pin.
A broken micro wire causes the vertical missing
column. All photos taken with X-ray tube 50 kV.
What we are planning: Medipix2 Demonstrator System
The system is made of two components:
Motivations:
1. Demo card;
• Simple and cheap device;
2. Power Supply Unit.
• Reduced size;
• Widespread USB interface;
Interfaced to a
• Dental applications possible;
personal computer
• Serial Medipix2 readout;
or notebook
+ 2.2 V
Bias V
Demo card
PSU
• Test pulse input;
• Internal DACs readout.
3. Voltage reference circuit;
4. LVDS drivers/receivers;
5. Power supply filters and capacitors.
Card dimensions: 4.8 cm × 3.8 cm
(Orcad Layout)

LVDS →
→ CMOS
CMOS
LVDS
FCLOCK_OUT
FCLOCK_OUT
CMOS →
→ LVDS
LVDS
CMOS
CLOCK
CLOCK
CMOS →
→ LVDS
LVDS
CMOS
DATA_IN
DATA_IN
NDATA_IN
NDATA_IN
DATA
DATA
PDATA_OUT
PDATA_OUT
NDATA_OUT
NDATA_OUT
TX/RX#
TX/RX#
11
TEST_IN
TEST_IN
TP
TP
1.324 V
V
1.324
PIC16C765
PIC16C765
VCC (+5V)
(+5V)
VCC
11
DAC_OUT
DAC_OUT
SHUTTER
SHUTTER
RESET
RESET
M1
M1
M0
M0
ENABLE_OUTC
ENABLE_OUTC
SPARE_FSR
SPARE_FSR
POLARITY
POLARITY
ENABLE_INC
ENABLE_INC
Medipix2
• Medipix2 chipboard with 128 pin DIL connector;
Prototype card layout
Prototype card picture
Conclusions and future work
A demonstrator board for the Medipix2 imaging chip has been designed.
designed. A prototype board has been built and is currently being tested.
tested.
We plan to finalize the project and use it to demonstrate the operation
operation mode of Medipix2 chip with a simple, portable and cheap system.
In the next future we wish to study the applications of this device
device for intraintra-oral imaging.
Serial
Serial
Synchronous
Synchronous
Interface
Interface
DATA_OUT
DATA_OUT
LVDS →
→ CMOS
CMOS
LVDS
Medipix2 Chipboard
• Card dimensions: 15 cm x 20 cm;
• PIC16C765 with 44 DIL package (reprogrammable!)
11
11
LM385
• Reproduces the demonstrator board on larger scale;
• All components connected by wire wrap technique;
33
CLOCK
CLOCK
PDATA_IN
PDATA_IN
88
DS90LV019
USB interface
interface
USB
TP
TP
PFCLOCK_IN
PFCLOCK_IN
NFCLOCK_IN
NFCLOCK_IN
DAC_BIAS
DAC_BIAS
The prototype board:
Vusb
Vusb
D+
D+
DD-
Power filters
filters
Power
DS90LV019TM
DS90LV019TM
PFCLOCK_OUT
PFCLOCK_OUT
NFCLOCK_OUT
NFCLOCK_OUT
Medipix2 chip
Medipix2 chip;
2. Microchip PIC16C675-I/NP microcontroller;
+50
+50 V
V
1.
Demo Card
block
diagram
diagram
+5
+5 V
V
+2.2
+2.2 V
V
The demo card contains:
To host
host PC
PC
To
ADC 8-bit
8-bit
ADC
765
16C
PIC
8-bit register
register
8-bit
Struttura
NA
Codice
Esperimento
PPC
Gruppo
5
Attività prevista nella sezione di Napoli per PPC durante l'anno 2005
La sezione di Napoli collaborerà con le sezioni di Cagliari e Pisa nell'assemblaggio e nel test del sistema di read−out parallelo con link
ottico per l'acquisizione di immagini con un rivelatore ibrido a pixel in silicio formato da una matrice di 512x512 pixel quadrati con pitch di
55 micron (area sensibile 28x28 mm2) connesso tramite bump − bonding a 4 chip di lettura Medipix2.
In Particolare la sezione di napoli valutera le caratteristiche del sistema di imaging proposto nellambito di applicazioni SPECT per
piccoli animali con tracciante I−125 (27−35 keV) e Tc−99m (140 keV). In particolare per limaging di bassa energia con I−125 verranno
testati in vivo collimatori a maschera codificata con risoluzione di 0.1 mm, sviluppati insieme al MIT (Cambridge, MA, USA) ed al
Childrens Hospital di Filadelfia.
Inoltre verranno eseguiti dei test di caratterizzazione con rivelatori CdTe, spessi 1mm, connessi tramite bump−bonding al chip Medipix2.
Struttura
NA
Codice
Esperimento
PPC
Gruppo
5
Struttura
PI
Codice
Esperimento
PPC
Gruppo
5
Attivita' prevista per il 2005
E’ previsto un run di bonding presso VTT dei rivelatori quad e singoli ai chip di lettura MedipixII prima versione.(materiale di consumo,
voce bump−bondig: 31 kEU)
Montaggio sulla chipboard, test elettrico e di funzionalita’ del sistema di read−out con sorgenti e tubi RX. (voce materiale inventariabile,
oscilloscopio digitale 3.5 kEU, alimentatore da banco 1.5 kEU)
Integrazione nel sistema CT con tubo microfocus realizzato per l’esperimento TAPPA a Pisa. Test di imaging con fantoccio. (voce
materiale inventariabile, slit 2.5 kEU, banco ottico 1kEU)
Struttura
PI
Codice
Esperimento
PPC
Gruppo
5
Pixel detector with
optical Parallel read-out for
micro Computed tomography
(PPC)
9 Scopo dell’esperimento
• Realizzare un rivelatore in Si (spessore 0.3-1.0 mm)
ibrido con 512x512 pixel, passo 55 micron (area totale
28x28 mm2) con readout parallelo in fibra ottica in grado
di fornire un frame rate di 25fps.
• Applicazioni micro-CT/SPECT
9 Responsabile nazionale
• Arnaldo Stefanini
9 Sezioni INFN coinvolte
• Cagliari (P. Randaccio)
• Napoli (M. C. Montesi)
• Pisa (A. Stefanini)
Schema del sistema PPC
Bus PCI (70 Mbyte/s)
25 fps
+5 V
HUB card
Glink
+5 V
PCI card
PCI 32bit/33MHz Universale;
Short size: ~ 10 x 18 cm2; DMA;
8 Mbit di memoria RAM statica;
programmabile; I/O con 2 flat
cable 80 pin
Motherboard
Chipboard
Micro-CT per piccoli animali
9 Necessità di accurati esami
anatomici: risoluzione spaziale
richiesta: 100÷50µm
9 Dimensioni: dal ratto (∅4cm) al
topo (∅2cm)
9 In parallelo potendo acquisire
25f/s (2x2 rivelatori) per avere
1000 viste occorrono 40s x 4:
ovvero circa 2 minuti per il
fantoccio.
9 Questo tempo puo’ essere
ragionevole per effettuare studi
dinamici con traccianti iodati (
ENERGIA k EDGE Iodio 33.16
Kev)
9 Con la frequenza proposta e’
anche possibile pensare di fare
studi di funzionalita’ cardiaca
Rivelatore
(gated)
Sorgente raggi X
a micro fuoco
Attivita’ di Pisa per il 2004
9 Simulazione dei rivelatori in Si con ISE-TCAD
• Marzia Novelli in coll. con IRST Trento
9 Disegno dei rivelatori singoli, quad e di strutture test
9 Batch sottomesso ad IRST 5/6/2004
9 Previsto per 10/2004
• 20 wafers
• 15 spessore 800 micron
9 Software per la ricostruzione tomografica di immagini
micro-CT
Il rivelatore
9 Un unico rivelatore con 512 x 512 pixels
per una area totale attiva di 2.8 x 2.8
cm2. L’interpixel e’ 55micron. Non ci sono
zone morte al centro
9 Il rivelatore e’ collegato mediante bumpbonding a 4 chip Medipix2
•
•
•
•
4 chips
•
•
•
•
•
•
•
http://medipix.web.cern.ch/MEDIPI
X/
Tecnologia 0.25 um 33M transistors
256x256 pixels, 55 x 55 µm2 (65536
pixel/chip)
Segnali di carica in ingresso positivi e
negativi
Preamplificatore dotato di circuito di
compensazione corrente di
leakage/pixel
Max counting rate/pixel: 1 MHz
2 discriminatori (risoluzione 3 bit)
Logica “finestra energetica”
Contatore a 14 bits / shift register
Read-out
• Seriale: a 200 MHz Parallelo: a
100 MHz bus 32 bit
Spazio morto di 55 µm su tre lati
•
•
•
4 delle 5 masse tumorali di diametro
variabile (spessore 2.00 mm, 1.00 mm,
0.75 mm, 0.50 mm)
3 dei 5 gruppi di micro-calcificazioni
(diametro sfere 0.54 mm, 0.40 mm,
0.32 mm)
4 delle 6 fibre di nylon (spessore 1.56
mm, 1.12 mm, 0.89 mm, 0.75 mm)
• Microstrip di
calibrazione di 14-C
PPC
Quad N
Quad P
Quad N
Potenziale Elettrico e Campo Elettrico
con multiguardrings
senza multiguardrings
con multiguardrings
senza multiguardrings
30000
campo elettrico (Volt/cm)
potenziale elettrico (Volt)
100
80
60
40
20
25000
20000
15000
10000
5000
0
0
0
200
400
600
800
larghezza (µm)
larghezza
1000
1200
1400
0
200
400
600
800
larghezza (µm)
1000
1200
1400
Caso di pixel p+/n e pixel nell’angolo di 119x119 µm con gap di 15 µm
92.2
62.8
85.72
85.72
85.72
58
62.8
213
158
40
119 um
211.44
Medipx2
163
15 um
92.2
Medipx2
Quad N n-side
Zona al centro del
rivelatore
Pixel normali:
Impianto n+:
30 x 30 µm
p stop di 5 µm
Gap di 5 µm
Pixel al centro:
126.5 x 126.5 µm
Con gap di 5 µm
(impianto n+:
106.5 x 106.5 µm)
Quad N p-side
Metal back
MultiGuardring
= 355 µm
(10 anelli)
Metal per test irst
Quad P p-side
Zona al centro del
rivelatore
Pixel normali:
Impianto p+ 40 x 40 µm
gap di 15 µm
Pixel al centro:
119x119 µm
Con gap di 15 µm
Attivita’ di Pisa prevista per il 2005
9 Bump – bonding dei rivelatori prodotti nel 2004 ad
elettronica MPX2
• Bonding di 9 quads
9 Test dei rivelatori con sistema di read-out parallelo
prodotto da NA e CA
9 Test di imaging micro –CT su fantoccio con
rivelatore quad e read-out parallelo
Richieste 2005
9 Missioni interno
8
9 Missioni estero
10
9 Consumo:
33
9 Inventariabile
8.5
9 Totale
59.5
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Misure presso altre sezioni partecipanti a PPC
Missioni al CERN per MPX2 collaboration Meetings
1 congresso internazionale
Bump bonding 31
Upgrade software Labwindows/CVI 0.5
Metabolismo laboratorio 0.5
Contributo clean-room 1
Oscilloscopio digitale 3.5
Slit per caratterizzazione sistema imaging 2.5
Alimentatore da banco 1.5
Banco ottico
1
9 Officina Meccanica 0.5 mesi/uomo
9 Alte tecnologie
0.5 mesi/uomo
FTE
Persone
Qualifica
%
Amendolia Roberto
PO
40
Belcari Nicola
AssRic
30
Bisogni Maria Giuseppina
RU
50
Del Guerra Alberto
PO
20
Fantacci Maria Evelina
RU
20
Linsalata Stefania
Spec
100
Moehrs Sascha
Dott
30
Quattrocchi Mariagrazia
AssRic
70
Rosso Valeria
RU
50
Stefanini Arnaldo
PO
60
Numero totale ricercatori
10
FTE
4.7
Codice
Esperimento
Gruppo
PPC
5
NUCLEARE
PREVENTIVO GLOBALE DI SPESA PER L'ANNO 2005
In KEuro
A CARICO DELL' I.N.F.N.
Struttura
Missioni
interne
Missioni
estere
SJ
CA
NA
PI
Materiale
di
consumo
SJ
SJ
Trasporti
e
facchinaggi
SJ
Spese
di
calcolo
Affitti
e
Materiale Costruzione TOTALE
manutenzione inventariabile apparati
Compet.
SJ
SJ
SJ
SJ
SJ
4,0
6,0
8,0
6,0
8,0
10,0
15,0
20,0
33,0
10,0
8,5
35,0
34,0
59,5
TOTALI 18,0
24,0
68,0
18,5
128,5
NB. La colonna A carico di altri enti deve essere compilata obbligatoriamente
Mod EC./EN. 4
A
carico
di altri
Enti
0,0
0,0
0,0
NUCLEARE
Codice
Esperimento
Gruppo
PPC
5
A) ATTIVITA' SVOLTA FINO A GIUGNO 2004
Il progetto PPC prevede la realizzazione di un sistema per l’acquisizione di immagini radiologiche digitali ad alto frame rate. Il sistema di
imaging è basato su un rivelatore ibrido a pixel in silicio formato da una matrice di 512´512 pixel quadrati con pitch di 55 micron (area
sensibile 28´28 mm2) connesso tramite bump − bonding a 4 chip di lettura Medipix2. Il sistema di acquisizione dati, basato su un bus di IO
parallelo a 32 bit, prevede la connessione ad un personal computer attraverso un link ottico GLINK2 ed una scheda di interfaccia PCI. A tal
fine, è stata prevista la costruzione di quattro schede elettroniche chiamate Chipboard, Motherboard, Hub e PCI Card. Il sistema di
acquisizione progettato prevede di leggere la matrice in circa 5 ms, consentendo una frequenza di acquisizione di 20 frame/s (con un dead
time del 10 %).
L’attivita’ svolta durante il 2004 dal gruppo di ricerca della sezione di INFN di Cagliari comprende la realizzazione del sistema elettronico di
acquisizione dati ad alto frame rate.
In particolare e’ stata progettata la scheda Chipboard che i quattro chip Medipix2, i condensatori di disaccoppiamento per l’alimentazione,
un sensore di temperatura, quattro ADC a 10 bit e due connettori ad alta densità da 100 pin per la connessione alla scheda Motherboard.
E’ previsto un connettore per effettuare il test dei chip attraverso un impulsatore esterno. Il progetto della scheda è stato da poco ultimato e
si prevede la definizione del layout per la fine di Luglio 2004.
La Motherboard è la scheda di controllo dei chip Medipix2: deve gestire i segnali di configurazione dei chip, la lettura dei dati e l’interfaccia
con il link ottico. Contiene i connettori per la connessione elettrica della Chipboard, una logica programmabile FPGA, i buffer per il bus
parallelo dei chip, un DAC quadruplo, un modulo ottico per la trasmissione dei dati (32 bit) e un modulo di ricetrasmissione dei segnali di
controllo (16+16 bit).
La scheda HUB ha lo scopo di gestire l’interfaccia tra il protocollo di trasmissione del link ottico e quello della scheda PCI Card. Contiene
un modulo ottico per la ricezione dati (32 bit) e un modulo di ricetrasmissione dei segnali di controllo (16+16 bit), quattro memorie FIFO (16
x 256 Kbit) e una logica programmabile FPGA per la gestione dei segnali di stato delle elettroniche. E’ stato già predisposto un progetto di
massima della scheda HUB e una bozza del layout della scheda Motherboard.
La scheda PCI card serve per gestire il sistema di acquisizione attraverso un PC. E’ una scheda PCI standard per bus a 32 bit, 33 MHz con
funzione di accesso diretto alla memoria (DMA). Rispetto alle scheda PCI realizzate in precedenza, il DMA consente un sostanziale
incremento di prestazioni relativamente alla velocità di acquisizione: sino a 90 Mbyte/s contro i 10 Mbyte/s delle schede slave (con S.O.
Windows). La PCI card contiene una logica programmabile FPGA per la gestione del bus dati e dei segnali di controllo del bus, un bridge
PCI Master PLX9054, due banchi di SRAM sincrona (sino a 8 Mbit) e una logica programmabile CPLD per la gestione della SRAM e degli
indirizzi. La scheda PCI è già stata realizzata ed è attualmente in fase di assemblaggio.
La suddivisione del sistema di acquisizione in quattro parti, sommariamente descritta sopra, ha lo scopo di rendere il sistema flessibile e
scalabile: la sistemazione dei chip Medipix2 su una scheda (Chipboard) separata dalla scheda di gestione (Motherboard) consente di
sostituire e testare le matrici di rivelatori su una stessa Motherbord e viceversa; la scheda HUB potrebbe essere espansa modularmene per
la gestione di un numero superiore di Motherboard; la PCI Card può essere utilizzata come scheda di I/O general purpose utilizzabile
anche in altre applicazioni.
Durante il primo anno del progetto PPC la Sezione di Napoli è stata impegnata nella progettazione e nel test del link ottico seriale per 4
chip Medipix2 basato su moduli GLINK2 TX, RX e TRX. Inoltre, in stretta collaborazione con la Sezione di Cagliari ha partecipato alla
definizione delle linee guida nella progettazione di PCI, HUB, motherboard e chipboard, che rappresentano le quattro schede costituenti il
sistema di imaging proposto. La Sezione di Napoli ha realizzato il software Medisoft4.1 dedicato alla acquisizione dati e controllo di 1−4
chip Medipix2 con readout seriale. Test di funzionamento e ricostruzione di immagini sono stati eseguiti con 1 e 4 chip Medipix2 letti in
modo seriale. Con tale sistema a lettura seriale a singolo chip sono stati eseguiti test preliminari per scintigrafie in vivo in topo con I−125.
Inoltre, sono stati eseguiti test su rivelatori CdTe microsaldati a Medipix2, che hanno mostrato la scarsa capacità di risoluzione
spettroscopica con tali rivelatori spessi 1 mm a passo di 55 micron, nella loro attuale versione, oltre che la non ottimale qualità del
bump−bonding.
La sezione INFN di Pisa nel 2004 e’ stata impegnata nella simulazione del rivelatore 512x512 utilizzando il programma ISE_TCAD
Utilizzando il programma ISE−TCAD e’ stato completamente simulato il modello elettrico del rivelatore a pixel di silicio. In particolare e’
stato valutato l’andamento del campo elettrico ai bordi del rivelatore, introducendo un insieme di anelli guardia che consentono di ottenere
una caduta della tensione controllata.
Sono state progettate due versioni del rivelatore 512x512. Nella prima versione, il lato segmentato e’ costituito da giunzioni quadrate p+ su
substrato n di lato 40 micron separate da un gap di 15 micron. Nella seconda versione, il lato segmentato e’ costituito da contati ohmici
quadrati n+ su substrato n di lato 30 micron circondati da un impianto p+ largo 5 micron per garantire l’isolamento elettrico tra i pixel. Sul
lato giunzione e’ stata realizzata una serie di anelli di guardia p+ che garantiscono una caduta di potenziale controllata verso il brodo del
rivelatore.
Dal momento che il rivelatore viene letto da quattro chip disposti secondo una matrice 2 x 2, per evitare zone morte nel rivelatore sono stati
realizzati pixel di dimensioni maggiori lungo la croce centrale.
Sono stati disegnati inoltre rivelatori singoli e varie strutture test.
I rivelatori e le strutture test sono state disposte su un unico layout che e’ stato sottomesso ad IRST (Trento) per la realizzazione delle
maschere e quindi dei wafer contenenti i rivelatori e le strutture test. Verranno prodotti entro il prossimo ottobre wafers di spessore 300,
800 e 1000 micron.
B) ATTIVITA' PREVISTA PER L'ANNO 2005
L’obiettivo globale della collaborazione PPC e’ la produzione di una piccola serie di sistemi completi comprendenti.
In particolare la sezione di Cagliari, in collaborazione con la sezione di Napoli, si occupera’ della realizzazione di:
−scheda di acquisizione dati PCI;
−modulo hub con interfaccia ottica;
−una o più motherboard;
−una o più chipboard per ospitare il rivelatore 512 x512 prodotto dalla sezione di Pisa.
Infatti, per l’ultimo scorcio del 2004 e’ previsto un run di bonding presso VTT dei rivelatori quad e singoli ai chip di lettura MedipixII prima
versione. Gli assiemi cosi’ prodotti dovrebbero essere pronti per l’inizio del 2005.
Le tre sezioni collaboreranno all’assemblaggio e al test nell'assemblaggio e nel test del sistema di read−out parallelo con link ottico per
l'acquisizione di immagini digitali.
Ogni gruppo della collaborazione avrà un sistema completo da usare per le applicazioni previste dal progetto.
Il gruppo di Cagliari realizzerà un sistema di radiologia digitale per acquisire immagini dinamiche.
La sezione di Napoli valutera’ le caratteristiche del sistema di imaging proposto nell’ambito di applicazioni SPECT per piccoli animali con
tracciante I−125 (27−35 keV) e Tc−99m (140 keV). In particolare per l’imaging di bassa energia con I−125 verranno testati in vivo
collimatori a maschera codificata con risoluzione di 0.1 mm, sviluppati insieme al MIT (Cambridge, MA, USA) ed al Childrens’ Hospital di
Filadelfia.
Inoltre verranno eseguiti dei test di caratterizzazione con rivelatori CdTe, spessi 1mm, connessi tramite bump−bonding al chip Medipix2.
Per quanto riguarda la sezione di Pisa, e’ prevista l’integrazione nel sistema CT per piccoli animali con tubo microfocus realizzato per
l’esperimento TAPPA.
Qualora si rendessero disponibili entro il 2005 i nuovi chip MedipixII, verrebbe richiesto un nuovo run di bonding presso VTT.
C) FINANZIAMENTI GLOBALI AVUTI NEGLI ANNI PRECEDENTI
Anno
finanziario
Missioni
interne
Missioni
estere
Materiale di Trasporti e
consumo facchinaggi
Spese di
calcolo
In kEuro
Affitti e
Materiale
Costruzione
manutenzione inventariabile
apparati
TOTALE
2004
8,0
17,0
24,0
1,0
26,0
76,0
TOTALE
8,0
17,0
24,0
1,0
26,0
76,0
Mod EC. 5
(a cura del rappresentante nazionale)
Codice
Esperimento
Gruppo
PPC
5
NUCLEARE
PREVISIONE DI SPESA
Piano finanziario globale di spesa
In KEuro
ANNI
FINANZIARI
2005
Spese
Materiale
Affitti e
Materiale Costruzione
Trasporti e
Missioni Missioni
di
di
manutenzione inventariabile apparati
facchinaggi
interne estere
calcolo
consumo
18,0
24,0
68,0
18,5
TOTALI
Mod EC./EN. 6
18,0
24,0
68,0
0,0
0,0
0,0
18,5
0,0
TOTALE
Compet.
128,5
128,5
Struttura
CA
Codice
Esperimento
PPC
Gruppo
5
COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA
N
RICERCATORE
Cognome e Nome
Qualifica
Dipendenti
Incarichi
Affer.
al
gruppo
.
Art.
23
Ruolo
Ricerca Assoc
1 FANTI VIVIANA
2 MARZEDDU ROBERTO
3 RANDACCIO PAOLO
AsRic
Bors.
P.A.
5
5
5
%
50
50
40
%
Numero totale dei Tecnologi
Tecnologi Full Time Equivalent
0
0
N
Cognome e Nome
TECNICI
Cognome e Nome
Qualifica
Incarichi
Dipendenti
Ruolo
Art. 15
Collab.
tecnica
1 MARRAS DAVIDE CTer.
10
1
0.1
Annotazioni:
mesi−uomo
Osservazioni del direttore della struttura in merito alla
disponibilità di personale e attrezzature
Mod EC./EN. 7
%
Assoc.
tecnica
3 Numero totale dei Tecnici
1.4 Tecnici Full Time Equivalent
SERVIZI TECNICI
Denominazione
Qualifica
Incarichi
Ass.
Ruolo Art. 23
Tecnol.
Dipendenti
N
Numero totale dei ricercatori
Ricercatori Full Time Equivalent
TECNOLOGI
Codice
Esperimento
PPC
Struttura
NA
Gruppo
5
N
1
2
3
4
RICERCATORE
Cognome e Nome
Curto Carlo Alberto
Mettivier Giovanni
Montesi Maria Cristina
Russo Paolo
Qualifica
Dipendenti
Incarichi
Ruolo Art. 23 RicercaAssoc
Affer.
al
%
. gruppo
Art.2222
AsRic
R.U.
P.O.
5
5
5
5
N
Qualifica
Incarichi %
Ass.
Ruolo Art. 23
Tecnol.
Tecn.
20
Dipendenti
Tecnologi
TECNICI
Cognome e Nome
1
0.2
Qualifica
Incarichi
Dipendenti
Collab.
Ruolo Art. 15
tecnica
Annotazioni:
mesi−uomo
0.5
1.0
2.0
Mod EC./EN. 7
%
Assoc.
tecnica
3 Tecnici Full Time Equivalent
SERVIZI TECNICI
Denominazione
1 Officina Meccanica
2 Progettazione Meccanica
3 Servizio Elettronica
Cognome e Nome
20 1 Ordine Antonio
100
100
Numero totale dei
80
N
TECNOLOGI
0
0
Struttura
PI
Codice
Esperimento
PPC
Gruppo
5
N
RICERCATORE
Cognome e Nome
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Amendolia Roberto S.
Belcari Nicola
Bisogni M. Giuseppina
Del Guerra Alberto
Fantacci M. Evelina
Linsalata Stefania
Mohrs Sascha
Quattrocchi Mariagrazia
Rosso Valeria
Stefanini Arnaldo
Zucca Sergio
Qualifica
Dipendenti
Incarichi
Affer.
al
gruppo
.
Art.
23
Ruolo
RicercaAssoc
P.O.
Bors.
R.U.
P.O.
R.U.
AsRic
Dott.
Dott.
R.U.
P.O.
Spec.
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
%
40
30
50
20
20
100
50
70
50
60
30
Cognome e Nome
Qualifica
Incarichi %
Ass.
Ruolo Art. 23
Tecnol.
Dipendenti
Numero totale dei Tecnologi
N
TECNICI
Cognome e Nome
0
0
Qualifica
Incarichi
Dipendenti
Ruolo Art. 15
Collab.
tecnica
Annotazioni:
mesi−uomo
La Sezione fornira' il supporto tecnico necessario.
Mod EC./EN. 7
%
Assoc.
tecnica
5.2 Tecnici Full Time Equivalent
SERVIZI TECNICI
Denominazione
N
TECNOLOGI
0
0
NUCLEARE
Codice
Esperimento
Gruppo
PPC
5
MILESTONES PROPOSTE PER IL 2005
Data
completamento
Descrizione
31/3/2005
competamento schede Motherboard e chipboard
30/6/2005
compeltamento scheda HUB
30/9/2005
assemblaggio e test dei sistemi di acquisizione
30/9/2005
30/9/2005
31/12/2005
test specifici per le singole applicazioni presso le tre sezioni INFN
Mod EC./EN. 8

ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Preventivo per l`anno

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