Détection des photons

3.4.2.1 Les photomultiplicateurs

Un photomultiplicateur fonctionne selon le principe suivant : un photon arrive sur une photocathode qui émet un électron par effet photoélectrique. Ce dernier est accéléré par un champ électrique dans le tube du PM, et vient percuter une première dynode soumise à un potentiel élevé. L’effet photoélectrique est de nouveau à l’origine d’une cascade d’électrons (qui, accélérés, frappent à leur tour une seconde dynode). Chaque étage augmente donc le

Section 3.4 : Les caméras 39

signal électrique est mesuré.

Les caméras de H.E.S.S. emploient des PMs produits par l’entreprise Photonis [53, 54]. D’un diamètre de 28,5 mm pour une photocathode de 23 mm, ils présentent une surface efficace de collection de 21 mm de diamètre environ (figure 3.10-(a)). L’efficacité du PM, qui dépend de la longueur d’onde (figure 3.10-(b)), vaut en moyenne 25% dans la bande correspondant à la lumière Tcherenkov. Chaque PM est alimenté par une haute tension propre produisant un gain

(a) - Efficacité quantique sur la photocathode.

(b) - Efficacité quantique en fonction de la longueur d’onde.

Figure 3.10 – (a) - Efficacité quantique en fonction de la position d’arrivée sur la

photoca-thode pour un photomultiplicateur donné. (b) - Courbes d’efficacité quantique en fonction de la longueur d’onde, pour quatre PM (points noirs) et en moyenne (ligne rouge). Les mesures

sont enregistrées pour un gain à 2×10⁵ [41, 55].

nominal de 2×105. Elle est généralement voisine de 1000 Volts. La tension est fournie via une

base connectée à l’arrière du PM multipliant par un facteur 400 la tension d’entrée, comprise entre 0 et 4 Volts.

La réponse temporelle du PM à une impulsion ou fonction de transfert est modélisée [56] ; elle sert notamment pour la simulation des caméras.

3.4.2.2 Collection de la lumière par des cônes de Winston

Les PM pointent vers le miroir du télescope à travers des cônes de Winston [57]. Ceci pour deux raisons :

– compte-tenu du fait que le rayon de la surface de collection est moindre que celui des PM et en prenant un agencement compact, la surface effective formée par l’ensemble des pixels est inférieure à 50% de la surface de la caméra. Les cônes de Winston permettent de récupérer la lumière focalisée entre les PM.

– ils réduisent également le bruit de fond de ciel, provenant directement des étoiles, ou par réflexion sur le sol au voisinage du télescope.

Pour améliorer l’efficacité de collection des PM [57], les cônes de Winston (figure 3.11) ont une section hexagonale de diamètre 41 mm à l’entrée et 21,5 mm en sortie. La longueur du

cône vaut 53 mm. Ces dimensions correspondent à un champ de vue de 0,16^◦ dans le ciel. Les

40 Chapitre 3 : Situation et description de l’expérience

(a) (b)

Figure3.11 – (a) - Photographie d’un cône de Winston utilisé dans H.E.S.S. (b) - Installation

des cônes sur le châssis.

3.4.2.3 Les tiroirs

Les tiroirs, au nombre de 60, contiennent chacun 16 PM et l’électronique associée, elle-même constituée de deux cartes, dites analogiques, qui gèrent le traitement des données. Le tiroir est complété par une carte dite de "slow control" qui gère les communications entre le tiroir et le module de gestion de la caméra.

Lescartes analogiques sont en charge du traitement des informations en sortie des

pho-tomultiplicateurs. Le principe de fonctionnement est schématisé figure 3.12. Deux voies, avec deux facteurs d’amplification différents, sont utilisées pour l’enregistrement des données. La présence de deux voies s’explique par la volonté d’étendre la gamme d’intensité lors des prises de données : la voie en haut gain est utilisée pour des images de faible intensité, entre 0 et 100 photoélectrons (pe), la voie en bas gain sert pour la détection d’événements de plus haute énergie, plus lumineux, entre 16 et 1600 pe environ. Les signaux transmis par ces deux voies par-viennent ensuite à des mémoires analogiques circulaires (ou ARS pour Analogic Ring Sampling) dans lesquelles ils sont échantillonnés à une fréquence de 1 GHz. Chaque ARS est susceptible de traiter les signaux issus de cinq voies différentes. Pour chacune des voies, les informations échantillonnées sont enregistrées dans 128 cellules. Dans un fonctionnement cyclique, les don-nées de chaque cellule sont écrasées après une période de 128 nanosecondes. Ces ARS ont été développés par le laboratoire DAPNIA-CEI (aujourd’hui IRFU) du CEA. Les caractéristiques de ces composants sont détaillées par G. M. Haller et al. [58].

Lorsqu’un signal de déclenchement est envoyé, l’échantillonnage continue pendant un temps

égal à128−N_dnanosecondes, puis s’arrête. Le paramètreN_dcorrespond à un temps légèrement

inférieur au temps de déclenchement (intervalle de temps entre la lecture d’une cellule et l’ar-rivée du signal de déclenchement) ; il vaut environ 70 nanosecondes. La lecture des 16 cellules suivantes, s’enclenche alors. Le temps associé à ces cellules (16 nanosecondes) représente la taille de la fenêtre temporelle contenant l’intégralité de l’impulsion à l’origine du déclenchement. Les signaux en sortie des ARS sont envoyés vers des multiplexeurs puis vers des convertisseurs analogiques-numériques pour être numérisés.

Enfin, il existe une troisième voie, analogue à la voie en haut gain. Le signal est comparé à un seuil évalué pour accroître les performances du détecteur (voir chapitre 4). Le rôle de cette voie se limite à l’émission d’un signal lorsque le PM détecte une émission significative. Elle est

Section 3.4 : Les caméras 41

un point nécessaire dans le mécanisme de déclenchement de la caméra.

Lacarte slow control, comme il a déjà été dit, est responsable de la communication entre

le tiroir et le module de gestion et assure le bon déroulement de l’acquisition des données. Elle traite les points suivants :

– la haute tension appliquée aux PM : chacun est alimenté à sa tension nominale, mais peut être désactivé individuellement (pour cause d’une étoile dans le champ de vue par exemple). Différents paramètres sont régulièrement contrôlés et enregistrés (tensions ap-pliquées sur les bases des PM, courant de haute tension (HVI), courant d’anode (DCI), compteur du nombre de déclenchements sur une période limitée)

– la configuration des cartes analogiques : valeur du seuil pour la troisième voie, temps de

déclenchement Nd (exprimé en nombre de cellules), taille de la fenêtre de lecture.

– le contrôle de la température en différents points du tiroir. La valeur de la température influe sur les propriétés du tiroir et notamment sur la valeur des piédestaux des PM.

Figure 3.12 – Schéma de fonctionnement d’une carte analogique utilisée dans les tiroirs des

caméras des télescopes H.E.S.S. en phase I [59].

Le système de communication est décrit dans la figure 3.13. Les trois principaux éléments intervenant dans l’acquisition des données y apparaissent : le tiroir pour la détection et le traitement du signal, la logique de déclenchement sur laquelle nous reviendrons ultérieurement et enfin le module de gestion veillant au contrôle du système dans sa globalité, ainsi qu’à l’enregistrement des données finales.

3.4.2.4 Le module de gestion

Ce module contrôle l’ensemble des opérations dans la caméra. Il est composé de sept cartes,

chacune associée à un rôle bien particulier. La CPU (pour Central Processing Unit) est

le principal lien entre la caméra et le monde extérieur (salle de contrôle, machines). Elle est connecté aux machines de calcul au moyen d’un câble ethernet. Une seconde liaison est

éga-42 Chapitre 3 : Situation et description de l’expérience

Figure 3.13 – Schéma des informations échangées entre les différentes parties de la caméra

[59].

lement établie afin de reprendre la main depuis la salle de contrôle. La CPU est également la pièce centrale du module de gestion.

Quatre cartes FIFO (pour First In First Out) permettent de connecter le CPU et les

tiroirs de la caméra. Dans une direction, ces cartes transmettent la configuration (haute tension, seuil, ...) aux tiroirs. Dans l’autre direction, les cartes FIFO forment, à partir des données, une chaîne qui sera enregistrée dans les machines de calculs après être passée par le CPU.

Une carte Registres définit la configuration de déclenchement de la caméra (utilisation

de la logique de déclenchement pour les observations ou synchronisation sur les impulsions d’une DEL (diode électro-luminescente) pour l’étalonnage des caméras). Elle reçoit en retour l’état relatif à l’activité de la caméra (données en cours de traitement, ou caméra en attente de déclenchement).

Lacarte ventilateurs et température, qui comme son nom l’indique, assure le relevé de

la température et la gestion de la vitesse de rotation des ventilateurs pour réguler la température à l’intérieur de la caméra. Son rôle s’étend également à l’ouverture et la fermeture du capot de la caméra, et à la mise sous tension des tiroirs et du module de déclenchement.

Lacarte GPS, après réception du signal de déclenchement, assure la datation de

l’événe-ment avec une précision de 80 nanosecondes. Dans le même temps, un signal est envoyé vers le CPU pour signifier le début de la phase d’enregistrement des données. Le CPU récupère finalement la date du déclenchement pour l’associer aux données à conserver.

Enfin une interface, de type cPCI-CustomBus (pour Compact Peripheral Component

Interconnect) transmet les informations relatives au déclenchement local de la caméra vers la carte CPU. Ces informations contiennent notamment les secteurs à l’origine du déclenchement, ainsi que l’adresse IP de la machine dans laquelle les données seront finalement enregistrées.

L’alimentation de la caméra passe par un câble unique. L’interrupteur est situé dans la cabine placée sur le télescope par laquelle toutes les communications (alimentation, ethernet,...) transitent.