Alimentation et extraction des signaux

HV FET Cryostat Filtre haute-tension Réglage pôle-zéro R_diff R_DC AO Amplification + Filtrage Différentiation R_f C_f Réglage courant de drain du FET +24 V +24 V -24 V Compensation niveau continu R_gain C_filtre Masse virtuelle

FIGUREC.3 – Schéma d’ensemble de l’électronique embarquée.

Chaque détecteur possède également une "carte alarme", qui permet, par l’intermédiaire de la mesure de la Pt100, de fournir un signal continu de +5V/-24V, qui commute pour une valeur seuil de la résistance de platine. Ce signal, appelé "Bias Shut Down" (BSD), permet de couper l’alimentation haute-tension au cas où la température dépasserait la consigne de fonctionnement du détecteur (risque de détérioration du cristal).

C.3 Alimentation et extraction des signaux

Chaque détecteur est alimenté par une haute tension de -3 kV à -4,5 kV (selon les caractéris-tiques du cristal) permettant de polariser la jonction de germanium. La haute tension (négative) est appliquée à la surface externe du cristal (contact P), alors que la surface interne (contact N) est reliée à la masse. Un connecteur coaxial haute-tension (coaxial SHV femelle) permet l’alimen-tation par un module haute-tension externe. Un connecteur basse-tension (sub-d 9 broches mâle) permet l’alimentation du préamplificateur (+/-12V, +/-24V). Les signaux physiques pré-amplifiés

C.3. Alimentation et extraction des signaux sont extraits grâce à 2 sorties coaxiales (BNC femelle) identiques en parallèle. En plus des signaux physiques, chaque détecteur possède une sortie permettant une mesure directe de la valeur de la résistance de platine, ainsi qu’une sortie BSD qui doit être connectée au module d’alimentation haute-tension. La sortie Pt100 de la plupart des détecteurs EURISYS est une sortie coaxiale BNC femelle. Dans le cas des détecteurs ORTEC, la sortie Pt100 utilise un câble Lemo quatre brins, dont deux servent à la mesure de Pt100, et deux sont utilisés lors du retraitement pour alimenter en courant une résistance chauffante à l’intérieur du cryostat ("Caddock").

FIGUREC.4 – Les connecteurs permettant l’alimentation et la lecture des signaux.

Capot

Électronique chaude

Cristal

FIGUREC.5 – A gauche, un détecteur capot fermé. A droite, le cryostat est ouvert (en salle blanche). Le cristal est maintenu par un support en aluminium par lequel est appliquée la haute-tension.

Annexe D

Fonctionnement des enceintes de réjection

Compton

D.1 Les détecteurs à scintillation

Lorsqu’un photon γ interagit dans le cristal de BGO par effet photoélectrique ou par effet Compton, il éjecte un électron rapide dans le milieu. Cet électron rapide est ensuite ralenti dans le cristal, provoquant l’excitation d’un certain nombre d’électrons vers la bande de conduction. Le nombre d’électrons excités vers la bande de conduction est, comme dans le cas des semi-conducteurs, proportionnel à l’énergie déposée. La désexcitation des électrons vers la bande de valence s’accompagne d’une émission de photons dits de scintillation, dans le domaine des basses énergies (proche du domaine visible). Le nombre de photons de scintillation émis est proportionnel à l’énergie déposée dans le cristal par le photon incident. Le rendement de scintillation du matériau correspond au nombre de photons de scintillation émis par unité d’énergie déposée. Dans le cas du BGO, on a ρ = 3,3 keV−1.

L’une des faces du cristal de BGO est collée par un lien optique à la photocathode d’un tube photomultiplicateur (PM). Les autres faces du cristal sont recouvertes d’un matériau réfléchissant qui assure que les photons de scintillations, émis de manière isotrope, atteignent la fenêtre d’entrée du PM. Chaque photon de scintillation qui atteint la photocathode du PM arrache en moyenne k électrons (k ∼ 20−30%). Ce nombre k est l’efficacité quantique de la photocathode. Les électrons sont ensuite accélérés par un champ électrique jusqu’à une première électrode appelée dynode, à laquelle ils arrachent en moyenne δ électrons chacun. Les électrons arrachés à la première dynode sont à leur tour accélérés en direction d’une seconde dynode, à laquelle ils arrachent également δ électrons chacun. On multiplie ainsi le nombre d’électrons par un facteur δ à chaque dynode. Si le PM comporte n dynodes, le gain associé est donné par la relation :

G= δⁿ. (D.1) Lorsqu’un photon dépose une énergie E dans le détecteur, la charge induite sur l’anode du PM vaut :

Annexe D. Fonctionnement des enceintes de réjection Compton

Q= ρ · E · k · δⁿ. (D.2) La résolution en énergie des détecteurs à scintillation est de l’ordre de 20%, ce qui est loin de la résolution obtenue avec les détecteurs germanium (∼ 0,2%). Cependant, la résolution des détecteurs BGO n’est pas critique dans le cas d’ORGAM, car ils sont utilisés comme un simple veto. On ne s’intéresse donc pas à l’énergie déposée.

Photons de scintillation Photon incident Photoélectrons Photocathode Dynodes Anode

Tube sous vide Cristal de BGO

FIGURED.1 – Schéma du détecteur à scintillation.

D.2 L’électronique de lecture

Les signaux fournis par l’anode des PM sont amplifiés et mis en forme par un préamplificateur de charge intégrateur, dont le principe est similaire à celui utilisé dans les détecteurs germanium. Le PAC fourni des impulsions de tension dont l’amplitude est proportionnelle à la charge induite sur l’anode, et donc à l’énergie déposée dans le cristal.

Annexe E

Maintien en froid des détecteurs germnium

d’ORGAM

Les détecteurs composant ORGAM sont maintenus en froid par un système d’alimentation automatique en azote liquide. Ce système d’alimentation est commandé par un module Agilent 34907A, lui-même commandé à l’aide d’une interface LabView qui gère le déclenchement et l’ar-rêt du remplissage. Au cours d’une expérience ORGAM, l’alimentation en azote est assurée par deux réservoirs tampon de 300 L et 200 L maintenus à une pression 1,6 bar. Chaque réservoir alimente une nourrice (une pour chaque demi-sphère), qui distribue l’azote liquide à l’ensemble des réservoirs des détecteurs germanium.

Électrovannes cryogéniques Module de contrôle et commande Réservoir tampon

LN

Annexe E. Maintien en froid des détecteurs germnium d’ORGAM

E.1 Les cycles de remplissage

Les détecteurs sont remplis simultanément, à intervalles de temps réguliers. La durée entre deux remplissages peut-être ajustée afin d’optimiser la consommation d’azote. Chaque détecteur possède sa propre voie d’alimentation en azote, commandée par une électrovanne fixée à la nour-rice de distribution (voir figure E.2).

Vanne cryogénique Boitier de contrôle Câble d'alimentation

FIGUREE.2 – Une nourrice distribuant l’azote à la moitié des détecteurs. L’azote arrive par le bas. Chaque électrovanne permet d’ouvrir la ligne de transfert alimentant un détecteur donné.

Chaque électrovanne est actionnée par une bobine magnétique située à l’intérieur du boitier de commande. Au repos, la vanne est maintenue en position fermée par un ressort. L’alimentation de la bobine permet de déclencher son ouverture. Le courant alternatif alimentant les vannes est fourni par une alimentation 24 V. L’alimentation de chaque voie est contrôlée par l’un des 20 relais coupe-circuit de la carte Agilent 34903A. Chaque relais bloque ou autorise le passage du courant dans la bobine du boitier de commande de l’électrovanne correspondante. Le maintien en position ouverte d’une électrovanne nécessite une puissance de 10 W, mais la puissance d’appel nécessaire à son ouverture est de 55 W. Au début du remplissage, les relais du module Agilent s’ouvrent séquentiellement, afin d’éviter un appel de courant trop important (plus de 1000 W) que l’alimentation ne pourrait supporter. Une fois les vannes ouvertes, l’azote afflue dans les tuyaux cryogéniques. Les tuyaux, alors à température ambiante, sont d’abord refroidis jusqu’à 77 K par le flux d’azote, qui se vaporise à leur contact. L’azote qui arrive aux détecteurs afflue donc sous forme gazeuse tant que l’intégralité du circuit n’est pas refroidie. Lorsque la température des tuyaux atteint 77 K, l’azote liquide commence à remplir les réservoirs individuels des détecteurs via les canules de remplissage.

Chaque réservoir est muni d’un capteur de débordement (voir figure E.3) qui détecte le reflux d’azote se produisant lorsque le réservoir est plein. Ce capteur est constitué d’une résistance de platine (Pt100), placée à la sortie de la surverse de la canule de remplissage, et dont la valeur varie avec la température (R = R₀(1 + αθ ), où θ est la température en ˚C, α = 3 · 10^{−3˚C−1et R}0= 100 Ω). La carte Agilent 34901A permet la mesure en temps réel de cette résistance.

E.1. Les cycles de remplissage C8pteur de débordement Canule de remplissage Arrivée d'azote Trop plein Pt100

FIGURE E.3 – Canule de remplissage reliée au capteur de débordement. Sur la photo de gauche, on peut voir la résistance Pt100 à l’intérieur du capteur en téflon.

Au début d’un remplissage, l’azote liquide se vaporise dans les tuyaux, et l’azote gazeux à basse température reflue par la surverse des réservoirs. Le flux de gaz est de plus en plus froid au fur du refroidissement des tuyaux d’alimentation. La résistance diminue donc progressivement jusqu’à un palier situé à environ 45 Ω, qui coïncide avec le début du remplissage effectif du réser-voir. Lorsque le réservoir est plein, le brutal reflux d’azote liquide à 77 K provoque une chute de la résistance aux environs de 20 Ω. Cette chute de la résistance en dessous d’un seuil prédéfini dé-clenche la fermeture de l’électrovanne correspondante. Un remplissage se termine lorsque toutes les électrovannes sont fermées. On peut voir l’évolution de la résistance Pt100 du capteur de débor-dement sur la figure E.4.

R_Pt100 (Ω)

110

~45

Début du remplissage -

Ouverture électrovanne ^RPt100_{Fermeture électrovanne} ^{< Rseuil : débordement}

-~20 R_seuil

Temps

FIGUREE.4 – Evolution de la résistance Pt100 du capteur de débordement au cours du rem-plissage.

Annexe E. Maintien en froid des détecteurs germnium d’ORGAM