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Lifetimes of the 4(1)(+) states in Fe-62,Fe-64 and the 11/2(1)(-) states in Co-61,Co-63 and Mn-59 were measured at the Grand Accelerateur National d'Ions Lourds (GANIL) facility by using the Advanced Gamma Tracking Array (AGATA) and the large-acceptance variable mode spectrometer (VAMOS++). The states were populated through multinucleon transfer reactions with a U-238 beam impinging on a Ni-64 target, and lifetimes in the picosecond range were measured by using the recoil distance Doppler shift method. The data show an increase of collectivity in the iron isotopes approaching N = 40. The reduction of the subshell gap between the nu 2p(1/2) and nu 1g(9/2) orbitals leads to an increased population of the quasi-SU(3) pair (nu 1g(9/2), nu 2d(5/2)), which causes an increase in quadrupole collectivity. This is not observed for the cobalt isotopes withN < 40 for which the neutron subshell gap is larger due to the repulsive monopole component of the tensor nucleon-nucleon interaction. The extracted experimental B(E2) values are compared with large-scale shell-model calculations and with beyond-mean-field calculations with the Gogny D1S interaction. A good agreement between calculations and experimental values is found, and the results demonstrate in particular the spectroscopic quality of the Lenzi, Nowacki, Poves, and Sieja (LNPS) shell-model interaction.

Prompt.-ray spectroscopy of the neutron-rich Kr-96, produced in transfer-and fusion-induced fission reactions, has been performed using the combination of the Advanced Gamma Tracking Array and the VAMOS + +spectrometer. A second excited state, assigned to J pi = 4(+), is observed for the first time, and a previously reported level energy of the first 2+ excited state is confirmed. The measured energy ratio R-4/2 = E(4(+))/E(2(+)) = 2.12(1) indicates that this nucleus does not show a well-developed collectivity contrary to that seen in heavier N = 60 isotones. This new measurement highlights an abrupt transition of the degree of collectivity as a function of the proton number at Z = 36, of similar amplitude to that observed at N = 60 at higher Z values. A possible reason for this abrupt transition could be related to the insufficient proton excitations in the g(9/2), d(5/2), and s(1/2) orbitals to generate strong quadrupole correlations or to the coexistence of competing different shapes. An unexpected continuous decrease of R-4/2 as a function of the neutron number up to N = 60 is also evidenced. This measurement establishes the Kr isotopic chain as the low-Z boundary of the island of deformation for N = 60 isotones. A comparison with available theoretical predictions using different beyond mean-field approaches shows that these models fail to reproduce the abrupt transitions at N = 60 and Z = 36.

En el campo de la física nuclear, la espectroscopia de rayos gamma de alta resolución es un método preciso para estudiar la estructura del núcleo, extrayendo la energía y la distribución angular de los fotones gamma emitidos en las transiciones entre estados nucleares. Para obtener núcleos en un estado excitado y por tanto emitan rayos gamma, hemos de hacer chocar la materia, produciendo reacciones nucleares (espectroscopia de haz) o recurrir a desintegraciones radiactivas (espectroscopia de desintegración). Los detectores de semiconductor de germanio de alta pureza (HPGe) han demostrado tener una buena respuesta interaccionando con rayos gamma. Al igual que otros detectores de basados en semiconductores, cuando se los somete a alto voltaje, los detectores HPGe producen una alta corriente de medida proporcional a la energía de los rayos gamma incidentes. El multi-detector HPGe AGATA (Advanced GAmma Tracking Array) es uno de los espectrómetros gamma de alta resolución más avanzados que existen dedicado al estudio de la física nuclear. Para maximizar la sensibilidad, los detectores HPGe de AGATA tienen los contactos exteriores divididos en 36 segmentos, de este modo se puede determinar la posición del fotón y la energía depositada en cada una de estas partes. Con la información sobre la posición y la energía de los fotones es posible reconstruir las interacciones de los rayos gamma a través de los algoritmos de tracking. Gracias a esta técnica, es posible maximizar la sensibilidad del detector (resolución energética y factor P/T) sin necesidad de utilizar parte del ángulo sólido de detección para otros detectores dedicados a la supresión del efecto Compton. Además de los detectores mismos, los detectores de HPGe sensibles al posicionamiento requieren una electrónica de muestreo con ratios señal a ruido de calidad espectroscópica, que capturen y digitalicen las trazas para ser procesadas por los algoritmos de análisis de forma de pulso (Pulse Shape Analysis). Para conseguir la máxima sensibilidad y eficiencia, el proyecto AGATA busca construir el multi-detector cubriendo una superficie total con 4π de ángulo sólido, optimizando la información obtenida, algo especialmente crítico en experimentos que usan costosos haces de iones radiactivos. Otro objetivo en la construcción de AGATA es su movilidad. El multi-detector AGATA se instala en diferentes laboratorios para aprovechar la variedad de haces e instrumentación complementaria que existen en los diferentes centros europeos. El proyecto AGATA se encuentra actualmente en su Fase 1, que busca cubrir hasta 1π de ángulo sólido y se encuentra funcionando con la segunda generación de electrónica. Los 45 detectores instalados actualmente utilizan en parte la anterior generación o Fase 0 de electrónica, que fue diseñada y producida entre 2005 y 2007. El principal objetivo a nivel de electrónica en la colaboración AGATA es el desarrollo de la nueva generación para la Fase 2, que busca instrumentar 180 detectores y la cual se ha desarrollado parcialmente en esta tesis. Los principales objetivos de la electrónica para la Fase 2 son la integración de en un solo dispositivo, desde la digitalización hasta la salida de datos y el protocolo Ethernet como comunicación para dicha salida. La tecnología Ethernet permitirá una conexión multipunto y la posibilidad de leer los datos desde cualquier sitio de la granja de procesado de AGATA. También se han tenido en cuenta, en el diseño, facilitar el mantenimiento y evitar la obsolescencia de los componentes utilizados. Uno de los grandes problemas que se encuentran en la integración del sistema electrónico de AGATA es la optimización de los recursos en la FPGA por parte del Pre-procesado. Con el avance de la tecnología, a pesar del aumento de la tasa de datos por transceptores de alta velocidad en estos dispositivos (entre 16 y 32 Gbps), el número de transceptores en las FPGAs no se ha incrementado sustancialmente. Además, el coste de los dispositivos FPGA aumenta considerablemente con el número de transceptores. Esto es un problema crítico en AGATA, ya que requiere un gran número de canales digitalizados por dispositivo, pero no a una velocidad especialmente alta (sobre 2 Gbps). Para reducir la complejidad del sistema, el coste y la potencia total, el número de líneas de alta velocidad se ha optimizado mediante agregación de datos por multiplexado en tiempo, incrementando la velocidad de tasa de datos, pero con una reducción en el número total de éstas de 4 a 1. Esta solución se ha llevado a cabo a través de la tarjeta Input Data Mezzanine, concebida y desarrollada enteramente en esta tesis. El objetivo principal desde el punto de vista científico es demostrar la posibilidad de leer 40 canales bajo el protocolo JESD204 o uno equivalente, vía fibra óptica o por cable físico, únicamente con 10 transceptores de alta velocidad de una FPGA, gracias a la técnica de multiplexado por división en el tiempo. La base de la que se parte es la electrónica actual de AGATA y se apoya en tecnología del estado del arte sobre diseño hardware y software para FPGA, diseño digital de alta velocidad y comunicaciones digitales. A pesar de que este diseño se ha realizado principalmente para el proyecto AGATA, consideramos que esta tecnología será de interés para otros instrumentos y aplicaciones. In the field of Nuclear Physics, high-resolution gamma ray spectroscopy is an accurate method to perform nuclear structure studies, retrieving the energy and angular distributions from gamma photons emitted in the transition between nuclear states. In order to obtain the nucleus in an excited state, such that will emit gamma-rays, we are forced to collide matter, doing nuclear reactions (in the in-beam spectroscopy) or resort to the radioactive decay (decay spectroscopy). The High Purity Germanium (HPGe) semiconductor detectors have shown to provide good response as gamma-ray detector. As other semiconductor detectors, HPGe produce, with high sensitiveness, a current proportional to gamma ray energies while there are subject to high voltage inverse polarization, in cryogenic conditions. The AGATA (Advanced GAmma Tracking Array) HPGe detector array is a state-of-the-art detector array for the gamma ray spectroscopy technique in nuclear physics. In order to improve the sensitivity, AGATA HPGe detectors have the outer contact divided in 36 segments in order to determine photon position and energy deposited in each segment. With the interaction energy and position information is possible to reconstruct (Track) the gamma-ray interaction sequence using tracking algorithms. With such technique is possible to maximize the sensitivity of the detector array (energy resolution and P/T) without using part of the detection solid angle for the anti-Compton active shields. In addition to the segmented detectors, the positions sensitive HPGe arrays require sampling electronics with spectroscopic signal-to-noise ratios, which provides the traces to be processed by the Pulse Shape Analysis algorithms. To provide maximum efficiency and sensitivity, the AGATA project aims to construct a 4π solid angle detector array. This geometry optimizes as well the information obtained, something that is especially important in experiments using expensive radioactive ion beams. Another goal in the construction of AGATA is the mobility of the array. AGATA is installed in different laboratories to take advantage of the variety of beams and complementary instrumentation existing in different European centres. The AGATA project is currently in its Phase 1, using a second generation electronics, which aims at building a 1 π solid angle coverage. This requires 45 detectors, that today are partly instrumented with the previous Phase 0 electronics, mostly design and produced in the period from 2005 to 2007. Presently, the main goal for the AGATA collaboration, regarding electronics, is the development of the Phase 2 version, with the objective of instrumenting 180 detectors, which is partly done by the work described in this thesis. The main improvements for this Phase 2 electronics are: the integration of all the electronics from digitizers to readout, including Pre-processing, in one standalone system and the use of Ethernet as the readout protocol. The Ethernet technology will enable a multipoint connection and the possibility to distribute the data anywhere within the AGATA processing farm. One of the main problems found in the integration of all the system is the optimization of the FPGA resources used in the Pre-processing. Despite of the increase in the high-speed transceiver data rates of the last FPGA developed in the industry, the number of transceivers on the devices is limited. Furthermore, the FPGA cost increases largely with the amount of transceivers, which is an issue for the AGATA detectors, with a need for a large number of transceivers but not at an especially high data rate. To reduce system complexity, cost and power, the number of high speed digital lines is optimized through data aggregation, increasing the speed data rate of each line but with a reduction of 4 to 1 in the total number of transceiver lines. The solution is carried out through the Input Data Mezzanine board, conceived and developed completely under this thesis work. From a technological point of view, the main objective of the thesis is to prove the possibility of reading up to 40 optical or copper low rate inputs, using JESD204 or equivalent protocol, in the FPGA using only 10 transceivers through a time division multiplexing technique. The work is done with state-of-the-art in hardware-software FPGA design, high-speed digital design and digital communications, as well as with the knowhow of the AGATA current electronics. Although this device is designed for AGATA, we consider that this technology will be of interest for other instruments and applications.

En esta tesis se muestra el desarrollo de diversas propuestas de bajo coste para la transmisión de señales analógicas y digitales para aplicaciones industriales sobre un medio de transmisión bifilar, el cual permite en su instalación topologías en anillo, árbol y bus. En algunos casos, la alimentación de los dispositivos que se conectan al medio de transmisión se puede extraer del propio medio. En el caso de la transmisión de datos digitales se ha considerado una transmisión con una tasa de bits que permita su uso en la mayoría de las aplicaciones de la industria, tales como las comunicaciones inmóticas y domóticas o la automoción, así como en algunas aplicaciones científicas. En todo caso son de propósito general para aplicaciones de comunicación digital y alimentación por soporte bifilar, en las cuales la tasa binaria sea del orden de 1Mbps. Las propuestas que se realizan son consecuencia de la evolución tecnológica en la implementación de sistemas comerciales para aplicaciones inmóticas, razón por la cual, las prestaciones de cada una de las propuestas siguen un orden creciente. En primer lugar, se propone un método para transmitir información en banda base de forma analógica. Para ello se realiza una transmisión diferencial y, con el uso de dispositivos aisladores y enrutadores, se consigue realizar comunicaciones punto a punto en instalaciones del tipo anillo, árbol y bus. En segundo lugar, se muestra la transmisión de la información en forma modulada en frecuencia, utilizando la técnica de multiplexaje por división de frecuencia FDM; de esta forma se consiguen comunicaciones full-dúplex y varios tipos de información al mismo tiempo, como es el caso de transmitir audio y vídeo simultáneamente sobre el mismo par bifilar. Al igual que en el caso anterior, con la utilización de aisladores y distribuidores se consiguen realizar comunicaciones punto a punto en instalaciones del tipo anillo, árbol y bus. Cabe señalar que en este sistema se transmite la alimentación sobre el mismo par bifilar que lleva la información modulada. Finalmente, se propone un tercer sistema que codifica la información en forma digital, mediante un pulso senoidal, de manera que el valor digital está codificado en el tiempo que trascurre entre un ciclo y el siguiente. La frecuencia utilizada para generar el ciclo es aproximadamente de 500 kHz con el fin de no superar el ancho de banda de los cables bifilares y, debido a que su longitud de onda es mayor que la longitud de la línea de transmisión en la mayoría de los casos, se puedan realizar instalaciones en anillo, árbol y bus sin la necesidad de dispositivos intermedios tales como distribuidores o enrutadores, al no haber reflexiones. This thesis is showing the development of different low-cost proposals for transmitting analog and digital signals, focused on industrial applications through 2-wire media, allowing the use case of ring, tree and bus topologies. In some cases, the device supply is multiplexed into the transmission line, extracting this supply from this transmission media. In case use of digital data transmission, a baud rate has been considered, according to most of the industrial applications needs. As domotic, hotel or automotive markets, or as for some scientific applications, as well. Anyway, general purpose applications using digital transmission and power supply though 2-wire, where the bandwidth is around 1Mbps. The performed proposals are consequence of the technology evolution related to the commercial deployment of systems for hotel market applications, that is why the rising performance of each of the proposals. As a first point, the proposal is based on transmitting the information using an analog baseband method. So that the transmission is implemented in differential mode and, the point-to-point communication is achieved using inserting isolation devices and routers, into ring, tree and bus systems. As a second point, the information shows a frequency modulation using the FDM technique (Frequency Division Multiplexing), so this way, the system is able to establish multi-channel full-duplex communications, allowing asymmetric and heterogeneous simultaneous channels, as audio and video, over the 2-wire media. The point-to-point communication is achieved using inserting isolation devices and routers, into ring, tree and bus systems, as well. Finally, the third proposal is based on a system coding the information in a digital way, through a senoidal pulse, linking the coded digital value to the time period in between one cycle and the next one. The frequency for generating is around 500 Khz in order not to exceed the bandwidth of the 2-wire media, and considering the its wave length is longer than the transmission line in most of the use cases. This proposal allows ring, bus and tree systems, without the need of including net infrastructure devices as routers or switches, because no reflexed wave is produced.

Este trabajo describe el desarrollo de parte de la electr´onica elaborada para el diseño de un escáner de Tomografíıa de Emisión de Positrones (PET) denominado Petete. Dicho escáner debe identificar offline los eventos de coincidencia y utilizar la técnica de ToF (Time of Flight) para descartar el ruido de fondo, lo cual permite contribuir a la mejora de la relación señal-ruido (SNR) y por lo tanto al aumento de la calidad de las imágenes médicas. El principal uso del escáner PET será en la investigación para el estudio y prueba de diferentes detectores para la mejora de las prestaciones del escáner PET en términos de resolución espacial, tiempo de adquisición (lo cual implica la reducción del tiempo de exposición del paciente a la radiación), la sensibilidad y calidad de imagen. El escáner conste en 16 módulos de detectores, basados en fotomultiplicadores de silicio, contando con un total de 1024 canales. Para poder recoger la información de ToF, la electrónica de proximidad (Front-end) debe registrar el tiempo de llegada de los eventos válidos detectados con una precisión del orden de cientos de picosegundos. Dado el número no despreciable de canales, y el reducido espacio disponible, la electrónica Front-end debe estar basada en un circuito integrado de aplicación específica (ASIC). Cada módulo de detectores se ubica en una tarjeta denominada tarjeta híbrida, que contiene al menos un ASIC para el registro del tiempo de llegada. Para el presente trabajo se han identificado y trabajado con dos ASICs que se adecúan a las necesidades del escáner: el Vata64hdr16 y el STiC. La electrónica desarrollada consta de dos partes: Por una parte se ha desarrollado completamente el sistema de adquisición de datos que realiza la lectura de los detectores de silicio, incluyendo tanto el hardware como el firmware necesario. Esta tarjeta de adquisición es la encargada de controlar los ASICs, realizar proceso de adquisición de datos, gestionar la comunicación con el ordenador y llevar a cabo la transferencia de datos. Para cubrir el escáner completo, son necesarias en total cuatro tarjetas de adquisición de datos que deben trabajar en paralelo, cubriendo cada una un total de 256 canales. El sistema se controla por un programa software diseñado para esta aplicación e instalado en un ordenador. El sistema de adquisici´on de datos está diseñado para que sea compacto, flexible, rápido y adaptable a las ASICs mencionadas. Por otra parte, es importante destacar que una parte del presente trabajo se ha dedicado al desarrollo de parte de la electrónica digital de STiC. Este trabajo se ha desarrollado en la Universidad de Heidelberg (Alemania) y ha permitido profundizar en el desarrollo de un sistema de adquisici´on de datos en este caso desde el punto de vista de la síntesis de un ASIC. La electrónica y el software implementado en el sistema satisfacen completamente las necesidades del escáner Petete, lo que constituye un sistema multi-configurable con transmisión de datos rápida a través de Gigabit Ethernet. El diseño se ha realizado de forma que se pueden seleccionar diferentes configuraciones, tales como diferentes modos de lectura, diferentes opciones de prueba y configuraci´on separada para cada tarjeta híbrida. Las pruebas experimentales llevadas a cabo verifican el comportamiento funcional correcto de todos los sub-sistemas, tales como ADC, DAC, TDC, triggers, señales de control, comunicación y otros, como se explica en la memoria presentada. Está previsto que el sistema sea utilizado para la investigación en el laboratorio de diferentes sensores de silicio y centelladores, dado que el sistema se ha diseñado de formare configurable y fácil de adaptar con los nuevos detectores. Hasta este momento la tarjera HDRDAQ se ha testado con dos tarjetas híbridas con 64 canales cada uno. En un futuro próximo están previstas las pruebas del sistema completo con cuatro tarjetas hibridas y con cuatro módulos detectores. Otras pruebas planeadas son el uso de varias tarjetas HDRDAQ en paralelo trabajando de modo sincronizado para cubrir el número de módulos detectores del scanner completo. La estructura del presente trabajo es la siguiente: En el primer capítulo se han estudiado las características de los detectores, además de describir el escáner Petete y definir los requerimientos del sistema de adquisición de datos. En el capítulo dos se ha dado una introducción a los fotomultiplicadores de silicio y a las características de los ASICs con los que se ha trabajado: el Vata64hdr16 y el STiC. Además también se ha llevado a cabo el desarrollo de las tarjetas hibridas que forman los módulos del escáner PET. El capítulo 3 se centra en el chip STiC y en el desarrollo de la electrónica digital del diseño ASIC que se ha llevado a cabo. En el capítulo 4 se desarrolla de forma detallada la electrónica de adquisición que lleva a cabo el proceso de control de los chips y la comunicación con el ordenador. Para el diseño de tarjeta de adquisición se ha tenido en cuenta la geometría del escáner, el número de las tarjetas hibridas necesarias que hay que controlar y los requisitos específicos de los ASICs. Para controlar el escáner y la electrónica desde el ordenador se ha desarrollado un programa específico. El capítulo 5 est´a dedicado al desarrollo firmware realizado, y el cap´ıtulo 6 se describe brevemente el software. El ultimo capitulo se ha dedicado al desarrollo de las pruebas en el laboratorio para verificar la funcionalidad de sistema con sus diferentes partes como el software, electrónica y detectores. Finalmente se incluyen las conclusiones del trabajo completo.

Els experiments en estructura nuclear es porten a terme per poder entendre les propietats d’un sistema molt complex, el nucli atòmic. Els isòtops nuclears posseeixen propietats molt diferents, com ara puguen ser la estabilitat, deformació, secció eficaç de producció, modes de desintegració, etc. És evident que un enteniment complet d’aquestes propietats és necessari per poder satisfer les finalitats a les quals es pretén arribar, tant en el marc de la física teòrica nuclear, com en aquelles aplicacions que se’n deriven d’ella, com ara: radioteràpia, imatge mèdica, astrofísica, biologia, ciència dels materials, etc. Fins al moment, s’han predit un nombre de 6000 isòtops existents, encara que les propietats de tan sols uns 3000 s’han estudiat parcialment. La mesura de les propietats del nucli no és per res una tasca fàcil. Requereix d’un ampli coneixement sobre la interacció de la radiació amb la matèria, la instal·lació de complexos detectors amb centenars de canals, així com la electrònica associada i les granges d’ordinadors que s’utilitzen per al processat. L’eina més utilitzada pels físics avui en dia per a obtenir les propietats del nucli és la coneguda com espectroscòpia de rajos gamma, que utilitza l’espectre d’energies d’aquests rajos mitjançant la energia dels rajos que col·lisionen al detector. Per a dur aquesta tasca eficientment, sobretot a aquells nuclis anomenats “nuclis exòtics”, es necessita una complexa infraestructura, que per al cas de la anàlisi de la estructura nuclear, s’implementa amb espectròmetres de rajos gamma d’altra resolució, junt amb detectors complementaris com ara els detectors de neutrons i els detectors de partícules carregades. Pel que fa a la electrònica, es evident que moltes aplicacions s’encaren cada cop més a la electrònica digital, la qual fa més fàcil la implementació d’una electrònica més flexible, donada la versatilitat dels dispositius programables per a poder implementar algoritmes complexos, així com també de la seua integració. Tanmateix, algunes de les mesures que s’utilitzen per a la caracterització del nucli, com per exemple el temps de vol o la resolució en energia encara es fan actualment amb mètodes analògics, donada la gran dificultat per dur-los a terme mitjançant electrònica digital sense degradar la qualitat de la mesura. Aquesta tesi mostra el rendiment que se’n pot obtenir d’un sistema digital qual es fan mesures amb espectròmetres de rajos gamma d’altra resolució, on el desafiament és mantenir la qualitat dels sistemes analògics pel que fa a la resolució en energia, i amb la millora que aporten els sistemes digitals per a poder donar més flexibilitat, integració, millorar les comunicacions, així com també reduir els costs. Concretament, el text tracta sobre el disseny, proves i la integració d’un digitalitzador d’alta velocitat, que siga capaç de complir amb les especificacions que es requereixen per al espectròmetre d’alta resolució EXOGAM (EXOtic GAMma array), així com també del futur detector de neutrons NEDA (NEutron Detector Arrary), que serà utilitzat complementàriament amb EXOGAM i AGATA. Les Conclusions d’aquest text mostren l’èxit al integrar un sistema digital que fins al moment s’ha utilitzat mitjançant mètodes analògics. D’aquesta manera, amb la prova de que fer espectroscòpia de rajos gamma mitjançant sistemes digitals, aquest text estableix un marc de treball per a futures aplicacions al camp de la instrumentació i electrònica aplicada per al futur de la recerca en la estructura del nucli atòmic. Nuclear structure experiments are carried out in order to understand the many properties of a very complex body: the nucleus. Different nuclear isotopes involve very different properties as for example stability, deformation, production cross-section, decay modes, etc. It is well known that a comprehensive understanding of these properties is compulsory in order to deal with the most recent challenges of nuclear fundamental physics, as well as in more applications such as: radiotherapy, medical imaging, astrophysics, biology, material sciences, nuclear energy, etc. Up to now, around 6000 different nuclear isotopes are predicted to exist, but until now the properties of only 3000 have been partially studied. Measuring nuclear properties mentioned above is not an obvious task. It requires a large knowledge about interaction of radiation with matter, complex detectors arrays with hundreds of channels, and therefore, complicated electronics to achieve such measurements. The most well-known and useful method used to observe the nuclear properties is the gamma-ray spectroscopy, which obtains the energy spectra based on the energy of the gamma rays impinging in the detector. In order to perform efficiently the gamma-ray spectra, and to be capable of observing the properties of exotic nuclei, it is required complex and expensive instrumentation, which, for the case of nuclear structure is being implemented by means of high-resolution gamma-ray spectrometers coupled with ancillary detectors, such as neutron detector or charged particle detectors. Regarding the electronics, it is obvious that most applications are heading towards the digital electronics, making possible and easier the implementation of more generic and flexible electronics, given the capability to implement more complex data analysis algorithms, faster communication protocols and reconfigurable firmware, among others. However, part of the measurements used to characterize the nucleus when performing high-resolution spectroscopy, such as the time of flight or the energy resolution, still, the performance obtained with analog electronics overcomes the capabilities of digital systems, entailing a big challenge when these measurements move to the digital world without a big performance drop. This text aims to introduce and show the capabilities which can be obtained with digital systems when performing measurements with high-resolution gamma spectrometers, keeping a good energy resolution while enhancing capabilities related to integration, economic, flexibility and communications. Concretely text deals with the design, verification and integration of a high-speed digitizer, capable to deal with the requirements of the HP-Ge high- resolution gamma-ray spectrometer EXOGAM (EXOtic GAMma array) and the future NEDA (Neutron Detector Array) fast neutron detector, used as an ancillary neutron detector for EXOGAM and AGATA. Finally, the conclusion shows the successful attempt to integrate a digital system in a task which has been implemented up to the date with analog electronics. Therefore, showing the evidence that high-resolution gamma-ray spectroscopy with digital systems is definitely possible, this text establishes an outline for future applications in the field of instrumentation applied for the nuclear structure research.

202 páginas. Tesis Doctoral del Departamento de Ingeniería Electrónica de la Universidad de Valencia y del Instituto de Física Corpuscular (IFIC)., Nuclear structure experiments are carried out in order to understand the many properties of a very complex body: the nucleus. Different nuclear isotopes involve very different properties as for example stability, deformation, production cross-section, decay modes, etc. It is well known that a comprehensive understanding of these properties is compulsory in order to deal with the most recent challenges of nuclear fundamental physics, as well as in more applications such as: radiotherapy, medical imaging, astrophysics, biology, material sciences, nuclear energy, etc. Up to now, around 6000 different nuclear isotopes are predicted to exist, but until now the properties of only 3000 have been partially studied. Measuring nuclear properties mentioned above is not an obvious task. It requires a large knowledge about interaction of radiation with matter, complex detectors arrays with hundreds of channels, and therefore, complicated electronics to achieve such measurements. The most well-known and useful method used to observe the nuclear properties is the gamma-ray spectroscopy, which obtains the energy spectra based on the energy of the gamma rays impinging in the detector. In order to perform efficiently the gamma-ray spectra, and to be capable of observing the properties of exotic nuclei, it is required complex and expensive instrumentation, which, for the case of nuclear structure is being implemented by means of high-resolution gamma-ray spectrometers coupled with ancillary detectors, such as neutron detector or charged particle detectors. Regarding the electronics, it is obvious that most applications are heading towards the digital electronics, making possible and easier the implementation of more generic and flexible electronics, given the capability to implement more complex data analysis algorithms, faster communication protocols and reconfigurable firmware, among others. However, part of the measurements used to characterize the nucleus when performing high-resolution spectroscopy, such as the time of flight or the energy resolution, still, the performance obtained with analog electronics overcomes the capabilities of digital systems, entailing a big challenge when these measurements move to the digital world without a big performance drop. This text aims to introduce and show the capabilities which can be obtained with digital systems when performing measurements with high-resolution gamma spectrometers, keeping a good energy resolution while enhancing capabilities related to integration, economic, flexibility and communications. Concretely text deals with the design, verification and integration of a high-speed digitizer, capable to deal with the requirements of the HP-Ge high- resolution gamma-ray spectrometer EXOGAM (EXOtic GAMma array) and the future NEDA (Neutron Detector Array) fast neutron detector, used as an ancillary neutron detector for EXOGAM and AGATA. Finally, the conclusion shows the successful attempt to integrate a digital system in a task which has been implemented up to the date with analog electronics. Therefore, showing the evidence that high-resolution gamma-ray spectroscopy with digital systems is definitely possible, this text establishes an outline for future applications in the field of instrumentation applied for the nuclear structure research.

293 páginas. Tesis Doctoral del Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear y del Departamento de Ingeniería Electrónica de la Universidad de Valencia y del Instituto de Física Corpuscular (IFIC)., El Gran Colisionador de Hadrónes (LHC acrónimo en inglés de Large Hadron Collider) se encuentra en el laboratorio europeo para física de partículas (CERN) en la frontera Franco-Suiza cerca de Ginebra. En él se estudian las colisiones de protones e iones pesados en cuatro experimentos situados a lo largo del colisionador. Uno de estos experimentos, ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus), es un detector de propósito general diseñado para aprovechar todo el potencial de descubrimiento de nueva física del LHC. Mide aproximadamente 45 metros de largo y algo más de 25 metros de alto y tiene un peso cercano a las 7000 toneladas. El detector interno, construido alrededor del tubo por el que circula el haz, ha sido diseñado para reconstruir los vértices y trazas de las partículas generadas en las colisiones. Los calorímetros electromagnético y hadrónico deben medir la energía de las distintas partículas. La última capa está formada por el espectrómetro de muones, que mide las trayectorias de las partículas cargadas que atraviesan completamente los calorímetros, y los toroides magnéticos que curvan la trayectoria de las partículas mediante un campo magnético de 0.5 Tesla. El calorímetro hadrónico de ATLAS ha sido diseñado principalmente para identificar “jets” y medir su energía y dirección así como para medir la deficiencia de energía total transversa. El calorímetro hadrónico de tejas (TileCal) es un detector de muestreo que utiliza acero como material absorbente y centelleador como medio activo y fotomultipliacdores para la adquisición de señal. Los eventos son analizados y tras una selección procesados y enviados a la electrónica lejana del detector. En esta tesis doctoral se describe el sistema electrónico de lectura lejano del detector. El sistema de adquisición de datos lejano es el encargado de procesar y reconstruir las señales digitales del detector y proporcionar los resultados al siguiente nivel en la cadena de adquisición. En primer lugar se muestran los resultados de producción y validación de los módulos “ReadOut Drivers” (RODs) que representa el núcleo de dicha electrónica. Posteriormente se describe la instalación, puesta a punto y resultados de operación de este sistema durante los tres primeros años de toma de datos del experimento ATLAS. Se muestran resultados de rendimiento desde el punto de vista de la eficiencia de adquisición de datos en comparación con el resto de subdetectores de ATLAS. Los algoritmos de reconstrucción empleados en los módulos ROD se encargan de estimar la energía depositada por las partículas en el detector así como su tiempo de paso. En la segunda parte de esta tesis se describen el algoritmo “Optimal Filtering” utilizado en los módulos ROD de TileCal. Se describe en detalle la metodología utilizada para la implementación de este algoritmo en los procesadores digitales de señal empleados para tal efecto. Se muestran los resultados de reconstrucción de señal a nivel de celda tanto para datos de laboratorio, de calibración así como para datos reales producidos en interacciones de partículas en el detector. Finalmente, se presentan resultados de reconstrucción de objetos físicos más complejos como “clusters” y “jets” en el calorímetro hadrónico TileCal de ATLAS.

154 páginas. Tesis Doctoral del Departamento de Ingeniería Electrónica de la Universidad de Valencia., El trabajo presentado en esta tesis se enmarca en el desarrollo de ins- trumentación para el estudio de la estructura nuclear mediante el empleo de espectrómetros gamma de alta resolución. Los continuos avances en la búsqueda de mejora de estos aparatos desde el punto de vista de resolución y eficiencia, así como la necesidad de incrementar la tasa de eventos por unidad de tiempo, han resultado, durante los últimos años, en una migración hacia el empleo de electrónica digital de alta rendimiento para el sistema de adquisición de datos de estos experimentos. En particular, esta tesis se centra en el diseño, programación, valida- ción e integración de la tarjeta de control de los nuevos digitalizadores del multidetector AGATA (Advanced GAmma Tracking Array). La tarjeta de control se engloba en la nueva generación de electrónica, que, manteniendo la base conceptual y especificaciones, se ha diseñado con componentes de última generación, mejorando la integración, consumo y costes. En ese sen- tido, a nivel global, se ha conseguido una reducción de, aproximadamente, un 83% en el consumo y un 66% en los costes, así como una disminución del número de tarjetas, mejorando la funcionalidad del sistema.

El objeto de esta Tesis es el diseño, programación e integración del Módulo de Preprocesado de Datos del Sistema Read Out Driver (ROD) dentro de los trabajos que se están realizando en el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN). Se trata de un paso definitivo para la puesta en marcha de este sistema que se instalará en el detector ATLAS dentro del acelerador de partículas (LHC) que se está terminando de construir en el CERN.Este Sistema ROD forma parte del sistema de adquisición de datos del subdetector TileCal incluido en ATLAS, en concreto del sistema de lectura y envío de datos a la frecuencia de cruce de haz que se produce en el acelerador (40 MHz). Incluido entre los niveles uno y dos de la arquitectura jerárquica de detección y estudio de eventos que se producen en las colisiones del LHC.El trabajo se puede dividir en dos partes, una primera en la que se investigan y exponen las necesidades en materia de adquisición de datos del experimento ATLAS/LHC y una segunda parte centrada en la realización del Sistema ROD, desde su primer prototipo, su diseño hardware, el sistema final, los módulos de preprocesado que se han desarrollado, el software desarrollado en los dispositivos lógicos programables y por último las pruebas, integración y resultados obtenidos en el CERN., The object of this Thesis is the design, programming and integration of the Preprocessing Data Module of the Read Out Driver System (ROD) within the works that are being made in the European Laboratory of Physics of Particles (CERN). There treats itself about a definitive step for the beginning of this system, who will install in the ATLAS detector inside the accelerator of particles (LHC) that is being constructed in the CERN.