Comme renseigné précédemment, H.E.S.S. est un réseau de télescopes composé de nom-breux sous-systèmes très différents les uns des autres. La chaîne d’acquisition des données (DAQ, Data Acquisition) a pour objectif de contrôler et de coordonner ces différents sous-systèmes. Pour cela, une infrastructure réseau uniforme (common network infrastructure) est requise. Le DAQ de H.E.S.S. se base sur un environnement Linux et une architecture logicielle de type CORBA (Common Object Request Broker Architecture) (Borgmeier et al. 2003). Celle-ci permet d’assembler des composants écrits dans des langages de programma-tion distincts, exécutés dans des processus séparés, voire déployés sur des machines distinctes, et permettant ainsi de construire une application complète capable de gérer divers proces-sus indépendants. La communication entre les différents sous-systèmes s’effectue par fibre optique (communications des caméras vers le trigger central/central DAQ) ou par réseau ethernet entre les différents éléments du DAQ situés dans la salle des machines.
Le DAQ doit pouvoir traiter en direct l’ensemble des données envoyées par les différents sous-systèmes du réseau. Lors des observations, chaque caméra de la Phase I (Phase II) est susceptible d’envoyer ∼ 4.5 kB (∼ 10 kB) de données, à une fréquence de ∼ 900 Hz (∼ 3000 Hz). Le DAQ doit donc pouvoir traiter des données arrivant à un taux de ∼ 50 MB/s. Il est conçu pour gérer un taux d’évènements de l’ordre de 80 MB/s (Balzer et al. 2014).
Pour limiter le volume des données et éviter de trop grandes fluctuations des conditions atmosphériques, mais également pour éviter une variation d’angle zénithal trop importante au sein d’une seule observation, les pointés d’observation, également appelés runs, ont une durée nominale de 28 minutes. Lorsqu’un évènement est accepté par le trigger central, chaque
noeud (node) reçoit l’intégralité des données pendant quatre secondes, et les mémorise dans une mémoire tampon. Lorsqu’un autre noeud est activé, les données sont converties dans un format commun puis enregistrées dans les serveurs de stockage. Le DAQ de H.E.S.S. comporte 10 noeuds et 5 serveurs de stockage. Les données brutes de H.E.S.S. sont formatées suivant le cadre d’analyse de données ROOT (Data Analysis Framework). La connexion internet étant très faible sur le site de H.E.S.S., les données brutes sont enregistrées sur des bandes magnétiques et envoyées en Europe après chaque période d’observation d’environ 24 jours (shift). Un à trois mois s’écoulent entre la prise de données en Namibie et leur étalonnage et exploitation en Europe. Chaque mois, ∼420 GB de données sont enregistrées pour chaque télescope de la Phase I, et ∼11 TB sont enregistrées pour CT5. La capacité de stockage du DAQ de 60 TB suffit à stocker les données pendant plus de 3 mois.
Outre les runs dédiés à l’observation de sources astrophysiques, environ 3% du darktime est consacré à l’étalonnage des détecteurs par le biais de runs de calibration.
L’étalonnage des détecteurs
Sommaire
3.1 Principe de l’étalonnage des caméras . . . 44 3.2 Les piédestaux . . . 45 3.3 L’amplification de la voie haut gain . . . 45 3.4 L’amplification de la voie bas gain et la correction des
inhomogénéités de collection . . . 48 3.4.1 Le dispositif de calibration de la caméra de CT5 . . . 48 3.4.2 L’analyse des runs de FlatField . . . 53 3.5 L’efficacité de collection de lumière . . . 61
Lorsque le système de déclenchement accepte un événement, les signaux électriques am-plifiés générés par l’arrivée des photons de la gerbe sur la photocathode des PMTs sont enregistrés dans des mémoires analogique en pas d’ADC. L’unité physique utilisable pour l’analyse des données étant un nombre de photons Tcherenkov, il est nécessaire de convertir les pas d’ADC en nombre de photo-électrons, puis en nombre de photons Tcherenkov. C’est via l’étalonnage des caméras que la première étape est possible. Le passage du nombre de photo-électrons à un nombre de photons Tcherenkov s’effectue ensuite via l’étalonnage de l’efficacité de collection de lumière.
J’ai activement participé au développement, à l’intégration et à l’analyse des données du dispositif d’étalonnage de la caméra CT5, développé au LUPM et intégré au cinquième télescope en aout 2012. Mon travail a consisté à développer des outils d’analyse de données recueillies suite à l’utilisation du dispositif en phase de test, d’abord, puis de fonctionnement, une fois intégré au télescope. Ce dispositif a été conçu pour effectuer les étapes suivantes dans l’étalonnage de la caméra :
– estimer le facteur de conversion entre photo-electron unique (SPE, Single Photo-Electron) et pas d’ADC,
– quantifier les inhomogéneités entre les pixels de la caméra afin de les corriger lors de l’analyse des données observationnelles. Cette étape de l’étalonnage est appelée le flatfielding.
Dans ce chapitre, je présente d’abord le principe de l’étalonnage des caméras ainsi que les piédestaux, paramètre nécessaire à l’étalonnage via le SPE et le flatfielding, mais sur lequel je n’ai pas activement travaillé. Les Section 3.3 et 3.4 présentent le dispositif d’étalonnage et
les résultats obtenus avec les algorithmes que j’ai développé.
3.1 Principe de l’étalonnage des caméras
Lorsqu’un photon Tcherenkov impacte la photocathode d’un PMT, un électron est arra-ché générant un signal électrique amplifié, une première fois, par les dynodes du PMT. La charge mesurée en sortie d’un PMT est donnée par Q = nph· γP M· e, où nph est le nombre de photons Tcherenkov incidents sur la photocathode du PMT, e est la charge élémentaire et γP M est le gain du PMT. Le gain moyen des PMT utilisé dans H.E.S.S. est de 2 · 105. Le signal en sortie du PMT est mesuré à travers une résistance notée RP M sur la Figure 2.3, puis il est amplifié, une seconde fois, dans les voies d’acquisition avant d’être converti en pas d’ADC (1 pas d’ADC correspond à ∼ 1.2 mV).
Dans les voies d’acquisition haut gain (HG) et bas gain (BG), le calcul de l’amplitude en photo-électrons à partir du nombre de pas d’ADC s’effectue suivant la formule 3.1 (?) :
AHG = ADCHG− PHG γHG × F F ABG = ADCBG− PBG γHG × HGBG × F F (3.1) où :
– ADCHG, ADCBG sont les nombres de pas d’ADC mesurés dans chaque voie d’acqui-sition du PMT (haut et bas gain, respectivement),
– PHG, PBG sont les positions des lignes de base de l’électronique, en pas d’ADC, dans chaque voie d’acquisition du PMT (haut et bas gain, respectivement).
– γHG, ou gain, est le facteur de conversion entre pas d’ADC et photo-électrons dans la voie haut gain.
– F F , ou coefficient de FlatField caractérise l’efficacité optique et quantique de chaque PMT par rapport à celle moyennée sur la caméra.
– HG
BG est le rapport d’amplification entre les voies d’acquisition haut et bas gain. Ces paramètres sont estimés en différentes étapes via différents runs de calibration : – le gain γHG est estimé via les runs de single photo-electron, ou photo-électron unique.
Des dispositifs composés d’une LED pulsante et de filtres atténuateurs sont installés dans les abris des caméras. L’intensité du signal est ajustée de sorte qu’à chaque pulse, chaque PMT de la caméra reçoive en moyenne 1 pe. Seule la voie d’amplification haut gain peut résoudre le photo-électron unique.
– les coefficients de FlatField sont estimés à partir des runs de FlatField. Des dispositifs composés d’une LED (CT1-4) ou d’un laser (CT5) pulsants, de diffuseurs et de filtres atténuateurs sont installés au centre des miroirs de chaque télescope. L’intensité du signal est ajustée de sorte qu’à chaque pulse, chaque PMT de la caméra reçoive ∼ 100 pe. Une telle intensité permet de résoudre le signal dans les deux voies d’acquisition. – le rapport HG
BG peut-être estimé à partir des runs d’observations ou des runs de Flat-Field.
– les piédestaux PHG, PBG, ou ligne de base de l’électronique, sont déterminés directe-ment dans les runs d’observations. Mais on suit égaledirecte-ment leur évolution à partir de runs pris avec le capot des caméras fermé afin de s’affranchir du NSB.
On détaille dans la suite, les méthodes utilisées pour estimer chacun de ces paramètres.