Les instruments

Les t´elescopes

Les t´elescopes sont dispos´es aux coins d’un carr´e de 120 m de cˆot´e dont l’une des diago-nale est orient´ee dans la direction Nord-Sud. La distance entre les t´elescopes est le meilleur compromis entre deux effets. Une grande distance entre les t´elescopes permet d’augmenter les b´en´efices de la st´er´eoscopie, mais r´eduit la probabilit´e qu’une gerbe les illumine en mˆeme temps, notamment pour les gerbes de basse ´energie. Ainsi la distance choisie permet de maximiser la sensibilit´e `a ∼100 GeV.

Les t´elescopes sont constitu´es d’une structure en acier, illustr´ee sur la figure2.6. La rigidit´e permet d’´eviter tout effet de courbure de la structure due au poids de la cam´era ou aux rafales de vent qui modifierait l’alignement des miroirs. La monture est de type alt-azimuthale offrant la possibilit´e de pointer dans toutes les directions. La vitesse de d´eplacement est de ∼100◦

par minute.

Figure 2.6 – Gauche : Sch´ema d’un t´elescope de H.E.S.S. [38]. Droite : Sch´ema de la monture optique de type Davies-Cotton [63].

La surface r´eflectrice est de forme hexagonale d’un diam`etre de 13 m. Elle est compos´ee de 380 panneaux de 60 cm de diam`etre dispos´es selon une monture Davies-Cotton (voir figure2.6) : ils sont assembl´es sur une structure sph´erique de 15 m de rayon. Les axes optiques des miroirs individuels s’intersectent au double de cette distance. Ce choix permet de r´eduire les aberrations

de coma hors de l’axe optique. Le prix `a payer est l’augmentation du d´elai d’arriv´ee des photons Tcherenkov dans le plan focal apr`es r´eflexion sur les miroirs. Pour un r´eflecteur de 6.5 m ce d´elai est raisonnable (∼4.5 ns) et permet de limiter le temps d’int´egration du signal. Pour de plus grands t´elescopes, l’anisochronisme devient important et le d´etecteur perd en sensibilit´e.

L’alignement des miroirs est r´ealis´e grˆace `a trois supports, dont deux motoris´es, situ´es `a la base de chaque miroir. La fonction d’´etalement de source ponctuelle (Point Spread Function - PSF par la suite) est montr´ee en figure 2.7. Elle a ´et´e obtenue en mesurant la tˆache d’une ´etoile brillante dans le plan focal. La taille de la PSF d´epend de la distance de la source `a l’axe optique mais reste inf´erieure `a la taille d’un pixel de la cam´era.

A basse ´el´evation, les tensions sur la structure induisent un d´esalignement des miroirs. Cela entraˆıne une augmentation de la PSF. Les mesures de PSF en fonction de l’´el´evation et de la distance hors axe, apr`es alignement des miroirs, sont pr´esent´ees en figure 2.8.

Figure2.7 – Image d’une source ponctuelle en fonction de l’´ecart angulaire `a l’axe optique [58]. L’hexagone repr´esente la taille d’un pixel de la cam´era de H.E.S.S..

Les d´eformations de la structure et les performances du syst`eme de pilotage induisent ´egalement une erreur sur le point´e du t´elescope. Une cam´era CCD est plac´ee sur la surface r´eflectrice et observe le ciel. Durant l’acquisition des donn´ees, cette cam´era suit la position des ´etoiles et permet d’ajuster le d´eplacement des t´elescopes. La position r´eelle du t´elescope durant la prise de donn´ees est corrig´ee au moment de l’analyse. Pour cela un mod`ele de d´eformation m´ecanique est calcul´e en fonction de la direction de point´e du t´elescope. Il est r´eguli`erement mis `a jour grˆace `a la mesure de cette d´eformation. Une cam´era CCD, situ´ee sur le r´eflecteur, observe la cam´era du plan focal. Celle-ci a le capot ferm´e et plusieurs LEDs ´eclairent en direction de la CCD. Le t´elescope pointe en direction d’une ´etoile brillante afin de former une image au centre du capot. La position de l’image de l’´etoile relativement `a celle des LEDs permet de d´eduire la d´eformation de la structure et le point´e r´eel du t´elescope. Une base de donn´ees est remplie et utilis´ee lors de l’analyse des donn´ees de H.E.S.S.. La mise `a jour du mod`ele m´ecanique se fait deux fois par lunaison. L’incertitude de point´e moyenne en fin de chaˆıne d’analyse des donn´ees est de ∼20′′ (l’utilisation de la cam´era CCD permet de descendre `a 6′′).

Figure 2.8 – Evolution de la PSF en fonction du d´ecalage hors axe (gauche) et de l’´el´evation (droite). Les variables r80%, σazimutal et σx correspondent au rayon contenant 80% du signal et aux ´ecarts types de l’image respectivement [58].

Les cam´eras

Les cam´eras de H.E.S.S. sont situ´ees dans le plan focal `a 15 m du r´eflecteur. Elles combinent une fine pixellisation afin d’obtenir l’image de la gerbe la plus d´etaill´ee possible, avec une ´electronique rapide limitant au maximum le bruit de fond de ciel (Night Sky Background -NSB par la suite) durant l’acquisition du flash Tcherenkov.

Les cam´eras sont compos´ees de 960 tubes photomultiplicateurs (PM dans la suite), aussi appel´es pixels, r´epartis sur 60 tiroirs. Chaque PM est ´equip´e d’un cˆone de Winston qui limite le champ de vue des PMs au miroir et r´eduit l’espace mort entre chaque pixel. La figure2.9montre la cam´era d’un t´elescope de H.E.S.S. pendant la mise en place des cˆones de Winston. Chaque pixel ayant un champ de vue de 0.16◦ dans le ciel, la cam´era permet d’observer un champ de vue de 5◦ de diam`etre. Cette valeur est `a comparer avec l’´etalement angulaire caract´eristique de ∼1◦

`a ∼2◦

pour les gerbes atmosph´eriques.

Les PMs sont constitu´es d’une photocathode qui permet de convertir la lumi`ere en ´electrons, appel´es photo´electrons. Ces ´electrons sont acc´el´er´es grˆace `a un puissant champ ´electrique `a l’int´erieur du tube. Leur nombre s’accroˆıt rapidement lors de leur passage sur plusieurs dynodes. Le flux d’´electrons en sortie du PM est suffisant pour produire un courant ´electrique mesurable. Le gain des PMs est le facteur de conversion entre nombre d’´electrons en sortie du tube par photo´electron au niveau de la photocathode. Ce gain est ajust´e en modifiant la haute tension appliqu´ee aux PMs et donc le champ ´electrique `a l’int´erieur du tube. Le gain dans les pixels des cam´eras de H.E.S.S. est de ∼2×105.

Le facteur de conversion d’un photon en photo´electron par la photocathode est appel´e effi-cacit´e quantique. Elle d´epend de la longueur d’onde et varie d’un PM `a un autre. L’effieffi-cacit´e quantique des PMs de H.E.S.S. est montr´ee en figure 2.10. Elle est de l’ordre de 20% dans

Figure 2.9 – Image d’une cam´era de H.E.S.S. pendant la mise en place des cˆones de Winston.

Figure 2.10 – Gauche : Efficacit´e quantique en fonction de la longueur d’onde des PMs des cam´eras de H.E.S.S.. Les points noirs repr´esentent diff´erents PMs, et la courbe rouge la valeur moyenne. Cette figure est extraite de [150]. Droite : Image d’un tiroir install´e dans les cam´era de H.E.S.S.. Un tiroir comprend 16 PMs (sur la droite) et les cartes ´electroniques.

la gamme de longueur d’onde du spectre de lumi`ere Tcherenkov (proche UV). Les cˆones de Winston permettent de guider la lumi`ere directement sur la photocathode ce qui permet d’ob-tenir une efficacit´e homog`ene en fonction de la direction d’incidence du photon. Le facteur de transmission de ces cˆones est de ∼70-80%.

Les PMs sont regroup´es par 16 dans des unit´es appel´ees tiroirs (voir figure 2.10). Chaque tiroir comprend 16 PMs ainsi que les cartes ´electroniques. Ces cartes g`erent l’alimentation ´electrique des PMs, la lecture de sortie des PMs, ainsi que la communication avec la cam´era. Les crit`eres de d´eclenchement

Le d´eclenchement du r´eseau qui permet l’enregistrement d’un ´ev`enement se fait `a deux niveaux :

• Niveau local : Le niveau local est situ´e au niveau de chaque t´elescope. La cam´era est divis´ee en 38 secteurs de 64 pixels qui se chevauchent de mani`ere homog`ene. La cam´era d´eclenche l’acquisition du signal lorsque au moins 3 pixels d’un sec-teur d´epassent le seuil de 4 photo´electrons dans une fenˆetre de 1.3 ns. Le taux de d´eclenchement de chaque cam´era est de ∼1.4 kHz.

• Le d´eclenchement central : Le deuxi`eme niveau de d´eclenchement se situe `a l’´echelle du r´eseau. Lorsqu’une cam´era a d´eclench´e, elle envoie un signal au serveur central. Le signal est conserv´e en m´emoire ∼80 ns. Si au moins un deuxi`eme t´elescope a ´egalement d´eclench´e dans ce laps de temps, alors le serveur central envoie un signal de confirmation `a chaque cam´era qui a d´eclench´ee. Les donn´ees stock´ees au niveau des cam´eras sont envoy´ees aux serveurs qui enregistrent l’´ev`enement. Avec ce deuxi`eme niveau, le taux de d´eclenchement du r´eseau est de ∼300Hz.

Ce crit`ere de co¨ıncidence permet d’exclure beaucoup d’´ev`enements dus aux muons isol´es et au bruit de fond ciel. Cela permet ´egalement d’assurer une bonne reconstruction des gerbes. Les instruments de calibration ´electronique

Diff´erents instruments auxiliaires sont pr´esents afin d’´etalonner les cam´eras. Le d´etail de la calibration est montr´e dans les sections suivantes.

D’abord une LED associ´ee `a un diffuseur isotropique est plac´ee au centre du r´eflecteur. Elle permet d’´eclairer uniform´ement la cam´era afin de r´ealiser un «champ plat» (flatfield par la suite) qui permet de sonder l’homog´en´eit´e de r´eponse des pixels de la cam´era.

Une LED, puls´ee `a 70 Hz, associ´ee `a un diffuseur est plac´ee dans l’abri des t´elescopes, `a 2 m de la cam´era. L’intensit´e de cette LED est r´eglable et permet d’´eclairer la cam´era avec un photo´electron en moyenne par pixel.

Contrˆole de l’environnement

La qualit´e de l’air influence la quantit´e de lumi`ere re¸cue par les t´elescopes. L’atmosph`ere induit notamment une incertitude sur la reconstruction de l’´energie de la particule primaire. Il est donc n´ecessaire de caract´eriser avec le plus de pr´ecision possible la qualit´e de transmission de l’air au moment de l’acquisition. Pour cela, une batterie d’instruments ont ´et´e install´es sur le site de H.E.S.S. pour contrˆoler la qualit´e de l’atmosph`ere. Ils permettent ´egalement de s´ecuriser la prise de donn´ees en permettant `a l’´equipe de nuit d’anticiper l’arriv´ee de nuages, de contrˆoler l’humidit´e et l’intensit´e du vent. Ces param`etres sont aussi utilis´es pour quantifier la qualit´e des donn´ees et permettre ou non leur utilisation dans les analyses `a partir de crit`eres quantitatifs et non biais´es.

Les dispositifs permettant ce contrˆole sont :

• Un radiom`etre par t´elescope pointant dans la mˆeme direction permet de sonder l’humidit´e de l’atmosph`ere et donc de la pr´esence de nuages dans le champ de vue. Ces derniers sont aussi visibles dans l’´evolution du taux de d´eclenchement qui chute brutalement lors de leur passage dans le champ de vue.

• Une station m´et´eo offre les informations relatives `a la temp´erature, la pression, l’humidit´e de l’air ainsi que la vitesse et la direction du vent.

• Un Lidar permet d’estimer la composition des a´erosols de l’atmosph`ere en fonction de l’altitude.