Les d´etecteurs de surface

3.4 Les d´etecteurs de surface

Ce sont des cuves d’eau cylindriques (1.2 m

10 m

), sur lesquelles (Fig. 3.7) sont dispos´es 3 photomultiplicateurs (PM) dont la sortie aboutit `a des convertisseurs analogique-num´erique rapides (Flash-ADC `a 40 MHz), puis `a une carte d’acquisition sur laquelle est broch´e un proces-seur charg´e de l’intelligence locale. Le mat´eriau constituant les cuves est `a l’´etude (conditions d´ependantes du site).

10.2 m2 1.2 m

3 PMs

Fig. 3.7: Cuve ˇCerenkov `a eau. Les particules g´en`erent de la lumi`ere par effet ˇCerenkov. Cette lumi`ere est r´efl´echie par les parois int´erieures des cuves et parvient aux PM.

3.4.1 Physique du d´etecteur

Les particules charg´ees arrivant dans la cuve n’interagissent quasiment pas avec le couvercle puis produisent un effet ˇCerenkov dans l’eau, donc ´emettent de la lumi`ere (Fig. 3.8). Les pho-tons des gerbes soit produisent des paires d’´electrons et de positrons, soit produisent un effet Compton sur les ´electrons, qui `a leur tour engendrent la lumi`ere ˇCerenkov.

Le seuil de l’effet ˇCerenkov dans l’eau s’obtient `a partir de l’indice de r´efraction

 
        
% 

d’o`u les ´energies seuil de 150 MeV pour les muons et 750 keV pour les ´electrons. Ce dernier seuil implique une valeur de 1250 keV pour celui des photons des gerbes. Il sera donc l´egitime de couper les simulations de gerbes `a 1 MeV. Ces seuils permettent la d´etection de la majorit´e des particules, car les muons parviennent aux cuves avec une ´energie moyenne de 1 GeV et les particules ´electromagn´etiques (EM) 10 MeV.

L’angle d’´emission des photons vaut 

1

 

 , leur nombre croissant avec l’´energie [66]. L’angle de diffusion des photons dˆu `a la cr´eation de paires est de quelques degr´es `a 10 MeV. Les particules charg´ees peuvent d´eposer de l’´energie par ionisation (environ 2 MeV/g.cm 

) ou par bremsstrahlung, causant une d´eviation



, la diffusion coulombienne multiple valant en moyenne ais´ement 90 degr´es apr`es 3 ou 4 longueurs de radiation pour 10 MeV.

Le nombre de photo´electrons parvenant aux PM est % 

par muon vertical, environ un par photon et 2 ou 3 par ´electron. Les photons g´en´er´es sont r´efl´echis par les parois int´erieures (en Tyvek) de la cuve. Des contraintes p`esent sur la d´efinition de la cuve. En effet, le noircissement partiel des parois ou du plafond modifie le signal collect´e, r´etr´ecissant la queue et l’int´egrale du signal pour des muons verticaux incidents.

Le principe est calorim´etrique : alors que les particules EM d´eposent toute leur ´energie dans la cuve, les muons y d´eposent une quantit´e `a peu pr`es invariable d`es qu’ils sont substantielle-ment au-dessus du seuil (environ 300 MeV, soit quelques dizaines de fois plus). L’amplitude du

θ émission de => électron, positron création de paires eau paroi couvercle ou atmosphère muon ou électron photon lumière

Fig. 3.8: Effet ˇCerenkov. Les photons, non charg´es, transf`erent leur ´energie `a des ´electrons ou positrons qui g´en`erent ensuite un effet ˇCerenkov.

signal dans chaque cuve vaut donc

        
  (3.1) o`u  

est la densit´e de muons et  

 la densit´e d’´energie des particules EM, et 

et 



des constantes de proportionnalit´e. L’unit´e de mesure pratique est le VEM (Vertical Equivalent Muon), signal ´equivalent au passage d’un muon vertical dans une cuve.

Bien que ceci d´epende de la distance de la cuve au cœur de la gerbe, les gammas g´en`erent en moyenne l’essentiel du signal, les ´electrons et muons se partageant le reste (une dizaine de %).

3.4.2 Alimentation solaire

La consommation de l’ensemble (Tab. 3.3) est limit´ee, pour une question de coˆut (1 M$/W), `a 10 W, le fonctionnement devant ˆetre assur´e entre -10 C et +50 C. La puissance solaire ´etant de 1 kW/m

et le rendement des panneaux solaires de quelques dizaines de %, la surface n´ecessaire est d’un dixi`eme de m

. Module Consommation (W) Haute tension (PM) 0.4 Amplificateurs 0.08 Flash ADC 0.51 ASIC trigger/m´emoires 1.0 Contrˆoleur 2.5 R´ecepteur GPS 1.15 Timing 0.51 Communications 1.3 Al´eas 1.0 Pertes de conversion 1.59 Total 9.94

3.4. Les d´etecteurs de surface 83

3.4.3 Photomultiplicateurs

La basse tension des batteries solaires est transform´ee en haute tension pour alimenter des photomultiplicateurs (PM). Les photons issus du rayonnement ˇCerenkov parvenant aux PM sont appel´es photo´electrons (PE).

Pour une gerbe donn´ee, la dynamique du signal de sortie d´epend de la distance au cœur de la gerbe. La plage `a laquelle doivent ˆetre sensibles les d´etecteurs doit favoriser les signaux `a grande distance de l’axe, au d´etriment de la saturation des signaux plus proches.

3.4.4 GPS

Les satellites GPS ´emettent p´eriodiquement (1 Hz = 1 pps) un signal en direction de la terre. Les stations locales du r´eseau de d´etecteurs sont ´equip´ees de r´ecepteurs GPS permettant, grˆace `a la r´eception de ces signaux, la d´etermination absolue r´eguli`ere de la date, et donc leur synchronisation.

Dans l’interface GPS, une horloge `a 100 MHz prend le relais et un compteur mesure le d´ecalage accumul´e. A chaque seconde, le r´ecepteur GPS peut ´egalement fournir les corrections `a apporter `a la seconde pr´ec´edente. La pr´ecision de 10 ns est obtenue en tenant compte de ces corrections et `a condition de fonctionner dans un mode o`u toutes les SL rec¸oivent les signaux des mˆemes satellites (autour de 7). Cette pr´ecision n’est pas absolue, mais relative au r´eseau. Le signal rec¸u par le contrˆoleur GPS est alors associ´e `a un TimeStamp, compos´e de deux mots de 32 bits, contenant respectivement les valeurs de la seconde et de la nanoseconde.

processus dur´ee

pr´ecision carte GPS 10 ns

´echantillonnage FADC 25 ns

r´eponse d’un PM `a un PE 300 ns

gerbe verticale quelques dizaines de s

gerbe horizontale entre 2 SL voisines 5 s fenˆetre pour l’int´egration du signal 20 s

Tab. 3.4: Ordres de grandeurs de temps.

3.4.5 Electronique d’acquisition

Le sch´ema g´en´eral de la chaˆıne d’acquisition est pr´esent´e sur la Fig. 3.9. Les diff´erents modules `a assembler y sont repr´esent´es : l’´electronique de Front-End, le contrˆoleur, les modules t´el´ecommunications et GPS.

En pratique, l’int´egration de plusieurs fonctions sera r´ealis´ee sur l’ASIC de Front-End. Cet ASIC est situ´e `a la sortie des FADC, et contient



les buffers de Front-End (FEB) ;



les registres contenant les param`etres donn´es par le contrˆoleur.

Cet ASIC se charge des d´eclenchements de premier niveau en envoyant les triggers au contrˆoleur, en avertissant le GPS, et en plac¸ant les signaux dans les FEB.

DMA Low Thr. ^W1_W2 W3 W4 W5 W6 High Thr. T. Reg. Fast GPS RS232 Telecoms RS232 Slow Station centrale Alim. TS

FADC FEB Contrôleur

Fig. 3.9: Sch´ema d’une station locale.

Flash-ADC

Le signal provenant des PM est num´eris´e par deux s´eries de FADC, l’une `a bas gain (W1 `a W4 sur les Figs. 3.9 et 3.10) et l’autre `a haut gain (W5 et W6 sur les Figs. 3.9 et 3.10), r´ealisant une dynamique totale de 17 bits (


) par PM et fonctionnant `a 40 MHz. PMT PMT PMT Amplifier Base /512 /64 /8 A Amplifier Base /512 /64 /8 A Amplifier Base /512 /64 /8 A Sum Sum Sum FADC FADC FADC FADC W6 FADC FADC W1 W2 W3 W4 W5

Fig. 3.10: Impl´ementation des Flash-ADC. W1 `a W3 constituent les 8 bits de poids faible pour chacun des PM. W4, W5 et W6 ajoutent chacun 3 bits grˆace `a la division pr´ealable du signal par 8, 64 et 512, conduisant donc `a une dynamique de 8+3+3+3 = 17 bits.

ASIC de Front-End

Les triggers de niveau 1, tenant compte de contraintes physiques, sont d´efinis ainsi :



trigger SLOW : envoy´e toutes les 0.1 s, il signale les traces de muons (3000/s, donc 300 `a chaque fois) accumul´ees dans un buffer. Ce buffer est utile pour la calibration d’une part, pour les ´ev´enements neutrino (gerbes horizontales) d’autre part.

3.4. Les d´etecteurs de surface 85



triggers FAST0 et FAST1 : “vrais” ´ev´enements, d´eclench´es une centaine de fois par se-conde au total. La distinction entre 0 et 1 est destin´ee `a tenir compte des gerbes proches ou distantes.



trigger Random : sans contenir forc´ement de signal utile, il sert `a la calibration et `a la surveillance. Est ex´ecut´e sur demande expresse du contrˆoleur.

Des ´echelles de comptages (scalers) sont ´egalement impl´ement´ees : entre deux triggers SLOW, le nombre de signaux au-dessus de certains seuils est compt´e. Cette information est utile pour la d´etection de sursauts gamma ou de charg´es ´emis en association avec eux (dans le cas de sources proches, on mesurerait ainsi l’augmentation temporaire du niveau moyen des signaux sur le r´eseau entier).

Lorsqu’un d´eclenchement a lieu, l’ASIC de Front-End assigne sa propre ´etiquette (TimeS-tamp, qu’on notera TimeStamp FE pour le distinguer du TimeStamp GPS d´ej`a introduit), qui sert de r´ef´erence `a l’enregistrement du signal.

Contrˆoleur

La m´emoire n´ecessaire prend en compte le fait qu’un ´ev´enement couvre une fenˆetre de 20 s `a 40 MHz, multipli´e par les 6 voies des FADC, soit 4.8 ko/´ev´enement. Mˆeme si un algorithme de suppression des z´eros (zero suppress) appliqu´e au niveau des FEB diminue l´eg`erement cette valeur, conserver 100 ´ev´enements par seconde pendant 10 secondes donne une taille de 5 Mo. La m´emoire mise en œuvre est de 8 Mo pour les donn´ees, autant pour le syst`eme et les applications et 1 Mo pour la FEPROM, 128 ko pour la boot EPROM.

La commande du GPS et des t´el´ecommunications s’effectue par liaisons s´erie RS232. Les FEB sont lus par DMA.

3.4.6 Calibrations

Comment r´ealiser la calibration des signaux au sein de chaque station locale ? Une m´ethode possible est l’utilisation des d´esint´egrations de muons. En effet, une fraction des muons parve-nant dans les cuves s’y d´esint`egrent en lib´erant un ´electron et 2 neutrinos, l’´electron d´eposant alors environ un tiers de l’´energie totale du muon. Ce ph´enom`ene doit se voir par deux pics successifs sur le signal, l’un dˆu au d´epˆot d’´energie du muon pas encore d´esint´egr´e, l’autre dˆu `a l’´electron ´emis.