5.3.1 Étude du seuil de détection
La dé nition du seuil de détection est essentielle pour limiter le bruit physique et électronique dans les données. Il détermine la tension minimale qu'un évènement doit générer pour pouvoir être considéré comme du signal. Si le seuil xé est trop faible, de faux évènements (particules chargées autres que les muons) pourraient être interprétés comme du signal. A l'inverse, si celui-ci est trop élevé, une partie du signal est rejetée. Dans le cadre des mesures avec les scintillateurs, il s'agit d'imposer un seuil le plus bas possible a n d'enregistrer le maximum de muons tout en prêtant attention à ne pas être dominé par le phénomène de temps mort. Ce temps mort intervient lorsque la quantité de données transmises est trop importante pour pouvoir être gérée par la carte d'acquisition. Une partie du signal risque, dans ce cas, d'être rejetée.
La détermination du seuil est intimement liée au choix de la tension qui est appliquée sur le PM. En eet, ces deux paramètres (seuil et tension) ont des eets inverses sur les taux de comptage des scintillateurs. Ces taux peuvent être augmentés soit en abaissant le seuil de détection, soit en augmentant la tension de consigne appliquée au PM et inversement pour les voir diminuer.
Les tensions de consigne peuvent varier mais de façon limitée, uniquement entre 3,00 V et 4,50 V a n de ne pas altérer le photo-multiplicateur. Elles varient d'une boite à l'autre (e cacité des diérents PM) et ont été xées de façon à obtenir, pour un même seuil, des taux de comptages identiques (≈ 80 Hz) pour tous les détecteurs lors de l'étalonnage au CPPM. Les tensions de consigne de chacun des détecteurs sont les suivantes :
DU0 : 3,75 V
DU1 : 4,20 V
DU2 : 3,85 V
DU3 : 4,15 V
Dans le cadre de l'étude, l'objectif est d'obtenir le plus grand nombre de muons pos- sible a n d'avoir de bonnes statistiques. Un faible seuil est donc privilégié mais il faut éviter le temps mort, c'est à dire la saturation dans la transmission du signal de la carte d'acquisition vers le PC.
Pour déterminer si les données ne sont pas dominées par cette saturation, des tests sont réalisés en faisant varier les seuils de détection entre 25 mV et 60 mV de façon simul- tanée sur DU0, DU1, DU2 et DU3 (Figure 5.4). Les particules détectées en coïncidence
sur au moins deux des scintillateurs sont utilisées. L'évolution des coïncidences avec les diérents seuils testés est étudiée au travers de quatre combinaisons de couples de scin- tillateurs : DU0 + DU2, DU1 + DU3, DU0 + DU3 et DU1 + DU2. Le ux de particules
obtenus par heure φtsur chacun de ces couples de détecteurs sont normalisés φnormsuivant
l'équation 5.1 sur l'ensemble de la période où les seuils ont été modi és. φnorm =
φt
φ, (5.1)
Où φt est le ux de particules enregistrées par heure, φ est le nombre moyen de
Caractérisation du dispositif expérimental 113
Figure 5.4 Variations des ux de particules, détectés sur au moins deux scintillateurs, avec les diérents seuils de détection testés : entre 25 mV et 60 mV. Le ux sont présentés pour quatre couples de scintillateurs et normalisés (divisés par leur valeur moyenne sur toute la durée des tests). Les modi cations du seuil sont identi ées par des alternances de zones blanches et de zones en pointillés marrons.
les variations des ux obtenus pour les diérents couples sur une même gure.
Sur la Figure 5.4, les variations des ux de particules sont globalement les mêmes pour tous les couples de scintillateurs. L'étude se concentre sur l'évolution de ces ux avec les modi cations du seuil. En théorie, une diminution du seuil doit permettre de détecter davantage de particules. Or, ici, au-delà de 45 mV, les diminutions du seuil ont pour eet de réduire la quantité de particules enregistrées. Ces observations sont la conséquence du temps mort. Il s'agit d'une saturation dans l'envoi du signal de la carte d'acquisition vers le PC. Le signal ne peut alors pas être enregistré dans son intégralité et une partie de celui-ci est perdue. Pour éviter ce temps mort, les seuils de détection des PMs doivent donc être, au-minimum, supérieurs à 45 mV. A n de conserver une zone de sécurité, les seuils des PMs des quatre scintillateurs sont tous xés à 60 mV au CPPM.
Ce seuil peut être réétudié si les conditions, et notamment la quantité de particules environnantes, changent.
5.3.2 Quanti cation des évènements fortuits
Toute particule chargée peut produire un signal dans les scintillateurs. A n de déter- miner s'il s'agit d'un muon, les scintillateurs sont placés en coïncidence, c'est à dire qu'ils doivent générer un signal sur plusieurs détecteurs dans une fenêtre de temps déterminée pour être identi és. En eet, à l'inverse des autres particules chargées, les muons ont la capacité de traverser des épaisseurs de matière importantes. Un muon n'a donc aucune di culté à traverser tous les scintillateurs. C'est dans ce contexte que des distances va- riables entre les détecteurs ont été dé nies a n d'investiguer des angles solides diérents. Par ailleurs, le bruit de fond induit par la détection fortuite de particules indépendantes touchant plusieurs détecteurs, appelé coïncidences fortuites, est réduit par le principe de
114 F. Hivert coïncidences (Figure 5.5). DU0 DU1 DU2 DU3 μ Muon Particule chargée (muon ou autre)
Figure 5.5 Schéma du principe des coïncidences fortuites sur le dispositif de détection utilisé.
Pour limiter les coïncidences fortuites, qui correspondent à du bruit physique dans les données, il faut augmenter le nombre de détecteurs en coïncidence. L'objectif est donc, ici, de déterminer le nombre optimal de scintillateurs qu'il est nécessaire de considérer pour identi er les muons. Pour cela, les probabilités de coïncidences fortuites sur deux, trois ou quatre plans de détection sont calculées. Dans un premier temps, la fenêtre de coïncidence doit être dé nie. Elle correspond à la fenêtre temporelle pendant laquelle la génération de signaux sur plusieurs scintillateurs est considérée comme simultanée et donc, en coïncidence. A n de dé nir cette fenêtre de coïncidence, il est important de reconnaître les diérentes parties d'un signal.
Les signaux enregistrés sur le dispositif de détection se décomposent comme indiqué sur la Figure 5.6. Le Rising Edge (RE) est le temps auquel le signal passe au-dessus du seuil de détection et le Falling Edge (FE) est le temps auquel le signal passe au-dessous de ce même seuil. La diérence entre les deux (FE-RE) est nommée Time Over Threshold (TOT). Deux signaux sont enregistrés en coïncidence lorsque le Rising Edge du premier signal (RE0) et le Falling Edge du second (F E1) sont compris dans l'intervalle de temps
dé ni par la fenêtre de coïncidence. Pour les expériences menées au LSBB, la fenêtre de coïncidence est xée à 100 ns, les durées des signaux étant en moyenne comprises entre 30 ns et 42 ns pour les diérents détecteurs (voir partie 5.6).
La fenêtre de coïncidence ayant été dé nie, les probabilités de coïncidences fortuites sur deux et trois plans de détection peuvent désormais être déterminées. La démonstration des équations utilisées est détaillée en annexe C. Les coïncidences fortuites sont fonction des fréquences de détection des scintillateurs et de la fenêtre de coïncidence entre les plans de détection concernés. Pour des coïncidences fortuites doubles, c'est à dire sur deux scintillateurs, le nombre de coïncidences est déterminé suivant l'équation 5.2.
R2 ' 2τ × (N0N1 + N0N2+ N0N3+ N1N2+ N1N3+ N2N3), (5.2)
Où R2 est le nombre de coïncidences fortuites sur deux scintillateurs par seconde,
N1 et N2 sont respectivement les taux de comptage individuel des détecteurs 1 et 2 par
seconde et τ est la fenêtre de coïncidence en secondes. En ajoutant des plans de détection le nombre de coïncidences fortuites diminue. Ainsi, le nombre de coïncidences fortuites sur trois plans de détection est calculé suivant l'équation 5.3.
Caractérisation du dispositif expérimental 115 RE0 FE0 TOT0 TOT1 RE1 FE1 Fenêtre de coïncidence 100 ns
Figure 5.6 Schéma des signaux en sortie des PM des scintillateurs. Le Rising Edge (RE) est le temps auquel le signal passe au-dessus du seuil de détection, le Falling Edge (FE) est le temps auquel il passe au-dessous de ce même seuil et le Time Over Threshold (TOT) est le temps pendant lequel le signal est au-dessus du seuil. Deux signaux sont enregistrés en coïncidences s'ils sont compris intégralement dans la fenêtre de coïncidence.
R3 ' 3τ2× (N0N1N2+ N0N1N3+ N0N2N3+ N1N2N3), (5.3)
Où R3 est le nombre de coïncidences fortuites sur trois plans de détection par seconde.
Elles sont, ici, calculées pour une fenêtre de coïncidence de 100 ns et une fréquence de détection de 80 Hz pour tous les détecteurs puisqu'ils ont été étalonnés à cette fréquence au CPPM. Le nombre de coïncidences sur deux plans de détection est ainsi estimé à environ 28 par heure tandis que les coïncidences triples sont considérablement plus faibles puisqu'elles sont de ≈ 2.2 · 10−4 par heure.
Les coïncidences doubles sont relativement faibles en comparaison de la quantité de muons présents au niveau de la surface terrestre (voir chapitre 3). Néanmoins, l'objectif de l'étude est ensuite de réaliser des mesures en environnement souterrain, où la quantité de muons est fortement réduite. Dans ce contexte, un bruit de quelques muons par heures n'est pas négligeable. Pour cette raison, seules les coïncidences triples, c'est à dire les particules ayant émis un signal sur au moins trois des détecteurs, sont considérées dans la suite de l'étude.