Architecture du programme de simulation general de MUNU

La simulation numerique des resultats que l'on peut attendre du detecteur MUNU repose sur quatres etapes essentielles : un programme de generation de particules, l'injection de ces particules dans une simulation du detecteur donnant en sortie les dep^ots d'energie dans les dierentes parties de ce dernier et leurs localisations, puis plusieurs simulations des sous-parties du detecteur servant a mesurer ces energies tenant compte de procedes physiques lies a la detection (simulation optique pour la collection de lumiere par les PMs, proprietes du gaz pour le transport des electrons dans la TPC, etc...) et enn une digita-lisation des dierents signaux attendus en sortie du detecteur reproduisant au mieux les

eets lies a l'electronique d'enregistrement.

Le generateur d'evenements

Il permet de preparer des listes d'evenements a injecter dans la simulation du detecteur. Les parametres que l'on peut choisir en entree sont le type de particule (electrons, gammas, alphas, muons, etc...) avec leur energie, position et direction incidente dans le detecteur. On peut ainsi generer un seul type de particules ou dierentes concidences reliees a la pre-sence de materiaux radioactifs (source ou bruit de fond) dans le detecteur. Pour ce faire, les schemas de desintegration de dierents emetteurs ont ete programmes avec leurs taux de branchement et leurs spectres en energie associes:235

U

,238

U

,222

Rn

,210

Bi

,212

Bi

,60

Co

,

137

Cs

, 40

K

,54

Mn

, etc... Le spectre des electrons de recul dus aux neutrinos du reacteur avec la presence ou non de moment magnetique, est lui aussi rentre dans ce generateur d'evenements. Les elements de simulation du reacteur servant a determiner son spectre d'emission tiennent compte de la masse du combustible, de la composition des assemblages en debut de mesure, de l'evolution du combustible au cours du temps, des puissances de la tranche 5 en fonction du temps, des coordonnees relatives du detecteur dans le b^atiment du reacteur.

Simulation des pertes d'energie dans le detecteur

Un programme de simulation complete des interactions dans le detecteur base sur la me-thode Monte-Carlo et utilisant le code GEANT [38] a ete developpe. Il tient compte du dimensionnement du detecteur cite au chapitre precedent (voir gure 2.5), des materiaux utilises pour chaque partie ainsi que des pressions auxquelles sont soumis le gaz et le li-quide scintillant. Les particules sont suivies pas a pas dans le detecteur, leurs positions ainsi que les pertes d'energies correspondantes faisant l'objet des sorties de cette etape de programmation.

Collection et detection de l'energie

Cette phase liee a la conversion, au transport et a la collection des dep^ots d'energie enre-gistres a l'etape precedente, est en fait basee sur la physique ayant trait au fonctionnement m^eme des sous-detecteurs de MUNU (photomultiplicateurs, anode et pistes de la TPC). En ce qui concerne les photomultiplicateurs, elle consiste a convertir localement l'energie deposee dans le liquide en lumiere suivant les performances de ce dernier, a repartir ces photons sur les 48 PMs en se basant sur les resultats d'une simulation optique de l'in-terieur de la cuve contenant le liquide et la TPC. Les photons sont ensuite convertis en photoelectrons suivant l'ecacite quantique des PMs, ces derniers uctuant suivant une distribution tenant compte de la multiplication sur les etages des PMs: spectre de pho-toelectron unique si moins de dix d'entre eux sont emis par la photocathode, gaussienne dans les autres cas.

En ce qui concerne la TPC, cette simulation va considerer les dierents aspects lies a son fonctionnement, a savoir: ionisation du gaz, transport des electrons dans la derive, ava-lanche sur les ls d'anode et collection des charges et enn in uences sur les bandelettes donnant l'image de la trace. Les coecients de transport du

CF

4 sur lesquels nous revien-drons (paragraphe 3.3.3.1) ont ete rentres comme parametres du programme.

Digitalisation des evenements

2.3. DELA SIMULATION DEMUNU 35 compte de l'electronique associee a ces detecteurs ainsi que de l'echantillonnage. La par-tie electronique par-tient compte des temps d'integration et de relaxation des amplicateurs ainsi que du bruit electronique qui se rajoute au signal. Ce dernier est genere de maniere analytique apres avoir ete etudie sur le detecteur, mais, pour certains d'entre eux trops diciles a realiser numeriquement (notamment en ce qui concerne le bruit des pistes X-Y), ce sont directement des echantillons de bruit blanc

reels

enregistres qui sont additionnes aux signaux simules.

L'ensemble des donnees en sortie de la simulation sont numerisees sous la m^eme forme que les donnees reelles du detecteur et peuvent donc ^etre traitees par les m^emes programmes d'analyse. Les donnees intermediaires telles que les dep^ots d'energie a la sortie de GEANT ou encore les nombres de photoelectrons sur chaque PM sont elles aussi accessibles. Nous reviendrons lorsque nous en aurons besoin sur les resultats que fournit ce programme, tant du point de vue de la simulation des sources servant a calibrer les dierentes parties du detecteur, que du resultat relatif a la physique du neutrino.

37

Chapitre 3

Le detecteur MUNU

L'ecacite et l'originalite du detecteur MUNU dans son identication des dierentes com-posantes du bruit de fond vient du couplage de la Chambre a Projection Temporelle avec un systeme de detection de lumiere servant principalement a la rejection des diusions Comptons. Dans ce chapitre nous allons revenir en detail sur le fonctionnement, la main-tenance et les performances de ces deux parties du detecteur.

Nous verrons notamment le mode de calibration et de suivi des photomultiplicateurs et du liquide scintillant, la capacite de localisation des evenements ainsi que le seuil de detection. Pour la TPC nous nous interesserons principalement a son fonctionnement avec du

CF

4

et a ses performances attendues et mesurees.

Mais, dans un premier temps, nous allons revenir rapidement sur le codage des signaux, l'electronique de lecture, le systeme d'acquisition et de contr^ole du detecteur.

3.1 Electronique et acquisition

L'ensemble des informations relatives au detecteur, signal d'anode, pistes X-Y (512 en tout) ainsi que les 48 signaux des photomultiplicateurs, est lu par un systeme de conver-tisseurs analogiques/numeriques rapides ash-ADC (fADC) de marque STRUCK. Ces derniers codent sur 8 bits avec une profondeur de memoire de 1024 mots. Une frequence d'echantillonnage de 12.5 MHz (80 ns/mot) permet un codage pendant 80



s, couvrant ainsi largement l'ensemble du temps de derive total de la TPC et donnant une resolution de 1.8 mm selon l'axe de derive.

Un diagramme de l'architecture d'acquisition et de surveillance de l'experience que nous allons brievement decrire maintenant est donne sur la gure 3.1. L'ensemble des 650 fADCs est contr^ole par un bus VME. Ce dernier est declenche par une unite logique program-mable (Universal Logique Module de Lecroy) faisant le lien avec l'electronique rapide. Le systeme d'acquisition CASCADE [35] developpe au CERN permet la lecture des fADCs et le stockage des donnees localement a Bugey depuis une station DEC. Le temps de lecture total de la memoire des 600 fADCs additionne au temps de transfert et d'ecriture sur disque, represente deux secondes en moyenne. L'acquisition peut ^etre mise en oeuvre a distance par n'importe quel laboratoire de la collaboration.

En plus des acquisitions des detecteurs individuels de MUNU que nous venons de decrire sommairement, un systeme independant de contr^ole des taux de comptage individuels et collectifs est assure depuis un Macintosh place dans la salle d'experience avec un systeme d'acquisition Kmax [36] enregistrant des echelles de comptage. Les donnees fournies sont surveillees a distance en permanence.

Parallelement a tout cela, un suivi de l'ensemble des temperatures et pressions du detecteur est assure par le VME. Une mesure est eectuee et enregistree toutes les 15 minutes, cette derniere pouvant ^etre directement consultee par la collaboration sur notre site internet

Dans le document MUNU : Etude de la diffusion neutrino electron (Page 46-51)