5.2 Tests de la puce MAROC2 encapsulée
5.2.2 Étude complète de la diaphonie
De manière générale, en électronique, la diaphonie se définit comme étant le rapport de l’amplitude du signal induit sur le signal inducteur. Dans notre cas nous ne pouvons pas directement mesurer le signal induit, mais plutôt ses conséquences sur le déclenchement du canal. La procédure pour regarder le niveau de diaphonie est la suivante : on fixe le seuil de discrimination proche de ce que nous avons identifié comme étant le niveau du tiers de photo-électron pour un photomultiplicateur de gain 106. Dans cette configuration, 1 pe correspond à 150 fC. On injecte une charge croissante dans le canal i jusqu’à voir son efficacité de déclenchement passer à 100 %. Cela nous donne une première S-curve et nous permet d’extraire le point à 50 %. C’est ce point qui servira de référence pour le calcul de la diaphonie. On peut voir sa distribution exprimée en photo-électrons pour 24 canaux testés sur la figure 5.10. On continue à augmenter la charge injectée jusqu’à voir les canaux voisins i − 1 et i + 1 déclencher (voir figure 5.11). Ce qui donne une courbe similaire à la figure 5.9(b). La diaphonie appelée aussi cross talk (XT) en anglais est alors calculée entre le canal i et i + 1 comme suit :
X T(%) = C harge50%(i + 1)
C harge50%(i) (5.2)
Les résultats obtenus pour les 24 canaux testés sont représentés figure 5.11(b).
On trouve en moyenne une diaphonie de 3.1 %, ce qui est au dessus des 1 % souhai-tés. Cependant ce niveau correspond à des charges injectées de l’ordre de la dizaine de photo-électrons (voir 5.11(a)) qui ne sont que très rarement observées avec la combinaison des fibres scintillantes et du MAPMT utilisés pour l’expérience. Nous avons vu dans la partie § 4.2.4 que le signal en sortie du MAPMT avec les fibres scintillantes utilisées pour l’expérience est en moyenne de 4.3 photo-électrons dans le cas des fibres terminées à 90◦ et de 3.9 pour celles terminées à 45◦. Les 3.1 % de niveau de diaphonie mesurés ne reflètent donc pas directement le taux d’événements induits par la diaphonie de la puce
FIGURE 5.10: Distribution de la charge injectée nécessaire pour obtenir 50 % d’efficacité de dé-clenchement avec un seuil de discrimination fixe pour les 24 canaux testés. On trouve bien une charge moyenne proche du tiers de photo-électron.
(a) Distribution de la charge injectée dans le ca-nal i nécessaire pour obtenir 50 % d’efficacité de déclenchement dans les canaux i − 1 et
i+ 1.
(b) Distribution de la valeur de la diaphonie pour les 24 canaux testés.
FIGURE 5.11: Résultats sur la diaphonie pour les 24 canaux mesurés. MAROC2.
Afin de s’en approcher nous avons mis en place un modèle simple qui permet de donner un sens plus physique à cette quantité et surtout de pouvoir la relier plus facilement à la mesure finale.
On a vu dans la partie § 4.2.4 que la forme du signal en sortie du MAPMT peut être décrite par l’équation 4.3. Mais on peut, afin de simplifier le modèle, considérer que cette réponse suit une loi de Poisson avec une moyenne µ = 4.3 ou 3.9 photo-électron. Pour calculer la proportion d’événements qui passeront effectivement le seuil de discrimination, on réalise le produit de la S-curve obtenue pour le canal voisin par la distribution de
Poisson (voir figure 5.12). Cela ne nous donne pas exactement le taux de diaphonie. Il faut aussi calculer l’efficacité avec la même méthode. C’est finalement le rapport entre ces deux valeurs qui nous donne le niveau de diaphonie. Ainsi pour une moyenne de distribution de Poisson de 4.3 pe on peut s’attendre à un niveau de diaphonie inférieur à 1 %.
FIGURE5.12: Produit de la S-curve (en bleu pointillés gros) par la forme du spectre en charge en sortie du MAPMT. Le résultat, la courbe rouge en pointillés fins, permet de retrouver le niveau de diaphonie. Pour le cas ou le canal voisin présente un point à 50 % d’efficacité à 10 pe, et lorsque le signal en sortie du MAPMT a une amplitude de 4.3 pe, le niveau de diaphonie est inférieur au pourcent.
La figure 5.13 montre le niveau de diaphonie pour les 24 canaux testés et trois va-leurs de moyenne de distribution de Poisson. A part quelques canaux bien au-dessus du % explicable par un couplage direct entre ces canaux, le niveau global est en-dessous du %. Ce résultat est tout à fait rassurant quant aux performances exigées de l’électronique. Cependant les niveaux trouvés avec la méthode classique de calcul de la diaphonie ne correspondent pas aux attentes des concepteurs de la puce MAROC2. Nous avons donc cherché à déterminer si ce niveau élevé ne pouvait être expliqué par un autre facteur. Il n’était pas exclu que la diaphonie provienne d’un autre composant de la carte de test situé en amont de la puce MAROC2. Un des moyens de s’en assurer est de jouer sur les gains variables de la puce MAROC2.
Si l’on injecte un signal constant dans le canal central et que la diaphonie intervient après le préamplificateur à gain variable, alors le niveau devrait être indépendant du gain des canaux voisins. La figure 5.14 présente les résultats de cette mesure. Alors que le canal central a un gain unitaire, on fait varier le gain des canaux voisins et l’on réalise les S-curves en fonction de la charge injectée dans le canal central. Le résultat indique que plus le gain est faible, plus le niveau de diaphonie est faible. Cela confirme l’hypo-thèse selon laquelle la diaphonie intervient en entrée de la puce MAROC2. En effet le préamplificateur à gain variable a été conçu de telle sorte qu’il ne peut être à l’origine d’un tel niveau de diaphonie [70]. La diaphonie est donc en grande partie due au système
FIGURE 5.13: Distribution des niveaux de diaphonie pour les 24 canaux testés pour trois valeurs moyenne de la distribution de Poisson (µ=3.8, 4.3 et 5).
d’injection de la charge et de la manière dont ce signal est délivré à la puce MAROC2.
FIGURE 5.14: Dépendance en gain du niveau de diaphonie. La réponse montre que la diaphonie intervient soit au niveau du préamplificateur à gain variable, soit d’un composant de la carte de test en amont de la puce MAROC2.
Conclusion Les différents tests effectués sur la puce MAROC2 dite “on board” ont montré
que les résultats répondent aux exigences :
– Nous avons pu régler le seuil de discrimination afin de détecter un signal équivalent à un tiers de photo-électron injecté dans un photomultiplicateur de gain 106 et ce pour tous les canaux testés, avec une dispersion de 6 % (voir figure 5.10).
– Le niveau de diaphonie observé est de 3.1 % avec une définition électronique du phénomène mais convolué avec le rendement de production de lumière des fibres et à son traitement par le photomultiplicateur, il chute en-dessous du pourcent. De plus nous avons pu identifier que cette diaphonie apparaît majoritairement en entrée de la puce MAROC, ce qui laisse espérer un niveau intrinsèque en deçà des exigences de conception.