Lecture ´ electronique du signal

Signaux fournis par un plan 2D

De mani`ere g´en´erale, l’acquisition des donn´ees pour un d´etecteur suit une chaˆıne de traitement et d’analyse des signaux afin de les exploiter au mieux. La premi`ere ´etape de cette chaˆıne est la production des signaux par le d´etecteur. Ces signaux sont trait´es par une puce d’´electronique frontale (ou puce FEE pour Front End Electronics) qui permet d’amplifier, de mettre en forme et de stocker les signaux analogiques avant num´erisation. Le premier ´el´ement d’une puce FEE est un syst`eme de protection de l’´electronique contre d’´eventuelles d´echarges ´electriques. Dans notre cas, cette ´etape devient inutile puisque, grˆace aux Micromegas `a pistes r´esistives, la probabilit´e qu’une d´echarge survienne est drastiquement r´eduite ainsi que leur dangerosit´e. Ensuite le signal doit ˆetre amplifi´e pour avoir un bon rapport signal sur bruit. L’amplificateur doit ˆetre situ´e pr`es du d´etecteur afin de r´eduire la distance que le signal doit parcourir afin de diminuer le bruit ´electronique. Cette ´etape se fait par un amplificateur CSA (pour Charge Sensitive Amplifier ). Une fois amplifi´e, le signal est int´egr´e et mis en forme par une s´erie de filtres. Dans le cas d’un d´etecteur Micromegas, le signal qui doit ˆetre mis en forme est montr´e par la figure 4.13. Le signal est ensuite stock´e par une m´emoire analogique, qui est compos´ee d’une grille de condensateurs (SCA pour Switched Capacitor Array), et est envoy´e vers la carte de num´erisation BEE (pour Back-End Electronics), lorsque le syst`eme de d´eclenchement est

5.1. Caract´eristiques des Micromegas d´evelopp´es `a Saclay 110 activ´e. La carte BEE permet de convertir les signaux analogiques en donn´ees num´eriques qui pourront ensuite ˆetre analys´ees. La carte BEE permet ´egalement de communiquer le signal de d´eclenchement `a la puce FEE. La num´erisation se fait grˆace `a un convertisseur analogique-num´erique (ADC pour Analog-to-Digital Converter ).

Figure 5.5 : Diagramme de fonctionnement de la puce DREAM avec les diff´erents ´el´ements pr´esent´es sous forme de blocs [5].

De nombreuses g´en´erations de puces ´electroniques ont ´et´e d´evelopp´ees au CEA Saclay,2 _{dont une sp´ecialement pour les d´etecteurs Micromegas et autres ´el´ements de}

trajectographie : la puce DREAM [5] (Dead-time less REadout ASIC for Micromegas) dont le diagramme de fonctionnement est illustr´e figure 5.5. Le d´eveloppement de la puce DREAM s’est fait dans le cadre de l’exp´erience CLAS12 au Jefferson Lab.

La particularit´e de cette puce r´eside dans le fait qu’elle peut lire et ´ecrire le signal simultan´ement dans la m´emoire analogique. En effet, avec les autres g´en´erations de puces, il y avait un temps mort entre la lecture d’un ´ev`enement int´eressant et son stockage, ce qui limitait la fr´equence de lecture `a 1 kHz. Grˆace `a la puce DREAM, les ´ev`enements peuvent ˆetre r´ecolt´es avec une fr´equence de l’ordre de la dizaine de kHz. Par ailleurs, la puce DREAM peut lire jusqu’`a 64 voies ´electroniques, ce qui est parfaitement adapt´e `a nos Micromegas multiplex´es. La puce DREAM a ´et´e d´evelopp´ee dans le but de pouvoir lire des signaux avec une grande capacit´e d’entr´ee. Ceci lui permet de pouvoir supporter la connexion avec le d´etecteur via un long cˆable micro-coaxial (jusqu’`a 2.2 m). Cette longueur de cˆable augmente significativement la capacit´e d’entr´ee totale et donc le bruit 2. AFTER (ASIC for TPC Electronic Readout), AGET (ASIC for General Electronics for TPC)) [6].

´electronique. Par ailleurs, le multiplexage utilis´e pour nos d´etecteurs induit une grande capacit´e d’entr´ee (de l’ordre de 200 pF en comptant la capacit´e du d´etecteur et des cˆables eux-mˆemes). Une telle capacit´e d’entr´ee serait difficilement lisible par une ´electronique usuelle, d’o`u l’int´erˆet de la puce DREAM.

Avant de transf´erer les signaux au BEE afin de les num´eriser, une derni`ere ´etape doit ˆetre effectu´ee afin de r´eduire la quantit´e de donn´ees `a transf´erer. Premi`erement, le pi´edestal de chaque voie, qui est le bruit ´electronique moyen sur la voie en question en l’absence de signal, est soustrait au signal. Il est calcul´e sans prise de donn´ees. Ensuite, le bruit coh´erent est ´egalement soustrait. Ce bruit coh´erent provient de l’´electronique elle-mˆeme mais ´egalement de la micro-grille du d´etecteur qui, par effet capacitif, peut induire un certain niveau de bruit. Le mode commun est calcul´e sur un groupe de voies, avec des donn´ees r´eelles, en calculant la valeur m´ediane du groupe choisi. Enfin, seuls les signaux ayant une amplitude d´epassant le seuil d´efini par l’utilisateur sont s´electionn´es pour ˆetre transf´er´es au BEE. Cette ´etape permet de se passer de syst`eme de d´eclenchement externe : c’est ce qu’on nomme l’auto-d´eclenchement (self-trigger en anglais)3. Les signaux en sortie sont illustr´es figure 5.6. Comme dit pr´ec´edemment, il y a une diff´erence entre les signaux fournis par les coordonn´ees X et Y. Cette diff´erence vient de l’orientation des pistes : les pistes X sont parall`eles aux pistes r´esistives tandis que les pistes Y sont perpendiculaires. Or les charges s’´evacuent le long des pistes r´esistives et donc s’´eloignent des pistes Y. D’apr`es le th´eor`eme de Shocley-Ramo (cf section 4.3.4), cet ´eloignement va induire un signal dont le signe sera contraire `a celui induit par l’avalanche cr´e´ee par le passage d’une particule incidente. Ceci aura donc pour cons´equence un signal de moindre amplitude sur les pistes centrales et un signal de faible amplitude qui s’´etendra sur de nombreuses pistes, loin de l’endroit o`u la particule a laiss´e un signal.

Les puces DREAM sont finalement int´egr´ees sur une carte de lecture FEU (pour Front End Unit ), qui permet de faire le lien entre l’´electronique frontale et les modules de num´erisation. Une FEU permet de contenir 8 DREAM de 64 voies, soit 512 voies ´electroniques qui peuvent ˆetre lues. Ainsi 4 Micromegas 2D peuvent ˆetre connect´es `

a une seule et mˆeme carte de lecture. N’utilisant que 61 voies par coordonn´ee, les 3 voies suppl´ementaires sont d´esactiv´ees.

Signaux fournis par plusieurs plans 2D

En configuration t´elescope, c’est-`a-dire quatre plans de d´etection 2D permettant de reconstruire la trajectoire de la particule en 3D, chaque Micromegas peut fournir un signal par coordonn´ee s’il d´etecte la particule incidente. Avec un syst`eme de d´eclenchement 3. La puce AGET permettant ´egalement d’utiliser l’auto-d´eclenchement. La puce DREAM descend directement de cette g´en´eration d’´electronique.

5.1. Caract´eristiques des Micromegas d´evelopp´es `a Saclay 112

Figure 5.6 : D´eveloppement temporel du signal pour les coordonn´ees X (courbes noires) et Y (courbes bleues). Chaque courbe repr´esente une voie ´electronique. Les pi´edestaux et le mode

commun pour chaque coordonn´ee ont ´et´e supprim´es [7].

classique, il faudrait attendre qu’un signal de d´eclenchement parvienne `a la BEE pour pouvoir accepter l’´ev`enement. Ici, les possibilit´es d’auto-d´eclenchement offertes par les puces DREAM permettent de s’en passer. Lorsqu’une particule traverse les diff´erents plans de d´etection, chacune des huit DREAM envoie son signal `a la carte FEU si son amplitude est sup´erieure au seuil fix´e. Le d´eclenchement se fait par co¨ıncidence en temps : une fenˆetre en temps peut ˆetre adapt´ee par l’utilisateur afin de permettre `a chaque DREAM d’envoyer un signal bool´een `a la carte FEU afin d’avoir une multiplicit´e pendant cette p´eriode. Pour avoir un d´eclenchement plus pr´ecis, par exemple lors du passage de deux particules de mani`ere tr`es rapproch´ee, une condition topologique peut ˆetre ajout´ee : on demande en plus `a ce qu’un minimum de coordonn´ees aient d´etect´e l’´ev`enement.

Si l’on veut utiliser plus de d´etecteurs, plusieurs cartes FEU doivent ˆetre utilis´ees en ´etant synchronis´ees par un TCM (Time and Clock Module), un d´eclencheur de plus haut niveau. Le TCM fournit une horloge commune `a toutes les cartes FEU afin qu’elles puissent propager leur signal. Un seuil de d´eclenchement est ´egalement n´ecessaire pour l’utilisation d’un TCM : chaque carte FEU va fournir un signal bool´een et le nombre total de signaux arrivant au TCM doit ˆetre sup´erieur au seuil donn´e par l’utilisateur.