Le vieillissement des photomultiplicateurs multianodes

Peu d’informations sont disponibles concernant le vieillissement des photomultipli-cateurs 64 voies. En particulier, les mesures faites par le constructeur sont r´ealis´ees en illuminant uniform´ement le photomultiplicateur et en connectant toutes les anodes en-semble. La connection de la fibre au photod´etecteur utilis´ee `a la fois dans le SPD et le PS peuvent changer significativement les r´esultats compte tenu du fait de la sous structure d’amplification des voies.

4.4.4.1 Le dispositif exp´erimental

Le sch´ema de principe du banc de testd de vieillissement est montr´e sur la figure 4.17 Le pilotage du syst`eme de lumi`ere et de l’acquisition des donn´ees est effectu´ee au moyen d’une carte ´electronique contrˆolant les entr´ees/sorties d’un port parall`ele d’un ordinateur. Le syst`eme de lumi`ere se compose d’une LED bleue envoyant la lumi`ere sur le pho-tomultiplicateur de fa¸con intermittente. Pour ce test, cinq voies du tubes ont ´et´e instru-ment´ees, la lumi`ere ´etant conduit `a la fenˆetre du photomultiplicateur au moyen d’une fibre claire de 1 mm de diam`etre. Une voie sur les cinq est continuellement illumin´ee, les

I/V VADC

LABVIEW

LV DC LIGHT BOX

PHOTODIODE

PMT BOX

Fig. 4.17 – Sch´ema de principe du banc de test de vieillissement.

quatres autres re¸coivent la lumi`ere par intermittence : 1 heure de lumi`ere, 3 heures sans. On s’est assur´e que la production de lumi`ere donn´ee par la LED est stable sur toute la dur´ee du test.

L’alimentation en tension des LED est mise afin de donner un signal de 4 µA pour chaque anode. Dans de telles conditions, le courant d’anode moyen global est au niveau de la valeur maximale sp´ecifi´ee par Hamamatsu et proche de la valeur estim´ee pour le canal le plus chaud (3.5 µA).

L’acquisition des signaux du photomultplicateur est r´ealis´ee au moyen d’un ADC de tension de 10 bits apr`es une conversion courant/tension.

4.4.4.2 R´esultats du banc de test de vieillissement

La figure 4.18 montre la r´eponse de la voie du photomultiplicateur continuellement illumin´ee en fonction du temps. Dans la premi`ere partie de la distribution, on observe une forte d´ecroissance exponentielle. Une explication possible de ce comportement repose sur le fait que la couche de c´esium sur le substrat est continuellement appauvrie et donc augmente l’´energie d’extraction des ´electrons impliquant une diminution de l’´emission des ´electrons secondaires. Une fois que cette couche est completement d´epeupl´ee, une d´ecroissance moins violente du gain est observ´ee. Le mˆeme comportement a ´et´e observ´e pour les quatres autres voies du photomultiplicateur illumin´ees de fa¸con non continue comme le montre la figure 4.19.

Les r´eponses quantitatives de ces anodes ne sont cependant pas les mˆemes. Il n’y a pas de r´ecup´eration de gain dans les p´eriodes sans lumi`ere.

L’hypoth`ese d’une r´ecup´eration de gain en l’abscence de lumi`ere d’une part et apr`es une p´eriode de repos d’autre part ont ´et´e test´ees. Comme le montre la figure 4.19, nous n’observons pas de r´etablissement du gain en l’abscence de lumi`ere. Au contraire, apr`es une p´eriode de repos d’une semaine un r´etablissement du gain a ´et´e observ´e. Apr`es une

4.4. CARACT´ERISATION DES PHOTOMULTIPLICATEURS DU PRESHOWER 93

Aging - Continuous illumination - 3 µA equivalent

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 TIME (10 Minutes) Current (10 µ A)

Fig. 4.18 – Distribution de la r´eponse du photomultiplicateur comme fonction du temps pour une illumination continue.

Aging - Intermittent illumination - 3 µA equivalent

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 1000 2000 3000 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 1000 2000 3000 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 1000 2000 3000 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 1000 2000 3000 TIME (10 Minutes) Current (10 µ A)

Fig. 4.19 – Distribution de la r´eponse du photomultiplicateur en fonction du temps pour une illumination non continue de 4 voies.

semaine d’op´eration, le courant anodique a ´et´e mesur´e au mˆeme niveau qu’avant le stop. Le photomultiplicateur a ´et´e ´etudi´e apr`es son vieillissement en utilisant le banc de tests g´en´erique de la section 4.4.2 et qui a confirm´e les r´esultats en terme de perte de gain. La figure 4.20 montre les r´eponses des 64 anodes, les cinq anodes illumin´ees sont encercl´ees.

Fig. 4.20 – Distribution de la r´eponse des 64 anodes apr`es une p´eriode de vieillissement. Les pixels illumin´es pour ce test sont encercl´es. Le cercle blanc correspond `a un test r´ealis´e avec un courant initial de 20 muA.

4.4.4.3 cons´equence de ce test de vieillissement

Une des cons´equences du r´esultat de ce test est que le photomultiplicateur doit ˆetre utilis´e `a des tensions plus basses. Comme le SPD est concern´e, il semble que de l´eg`eres modifications sur la carte VFE soit suffisante. La valeur du facteur de r´eduction de gain pour le PS (10) semble par contre inaccessible.

Seul un facteur de r´eduction de 2 est possible pour le PreShower, et donc un nouveau dessin du premier ´etage de la carte VFE du PS est obligatoire pour atteindre le facteur de r´eduction du gain de 10.

Une nouvelle campagne de mesure a donc ´et´e effectu´ee en divisant par 10 le courant du photomultiplicateur. Le r´esultat de ces mesures est donn´ee pour une voie typique du pho-tomultiplicateur sur la figure 4.21. Les sept voies mesur´ees pr´esentent un comportement similaire `a celui de la figure 4.21 et montrent que les photomultiplicateurs peuvent ˆetre op´er´es avec de tels courants.

4.4. CARACT´ERISATION DES PHOTOMULTIPLICATEURS DU PRESHOWER 95

PMT Aging - One typical channel - 300 nA equivalent

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Current ( µ A) TIME (10 Minutes)

Fig. 4.21 –Distribution de la mesure du courant du photomultiplicateur en fonction du temps (100 jours) pour un courant diminu´e d’un facteur 10. Par rapport `a la distribution 4.19, on observe un comportement global lin´eaire avec un l´eger “up-drift” au d´ebut de la courbe.