Cette partie décrit la procédure et les paramètres utilisés pour l’étalonnage des nouvelles cartes analogiques des caméras de H.E.S.S I (figure 3.3). Comme vu précédemment la moder-nisation des cameras s’applique à tous les composants électroniques du tiroir, sauf les PMs et leurs cartes d’alimentation. Un tiroir est composé de 16 PMs deux cartes analogiques d’acqui-sition du signal de 8 différents PMs chacune et une carte de contrôle (voir figure 3.3). Le signal analogique est digitalisé dans chaque voie puis envoyé dans une boite d’acquisition. Les données sont ensuite envoyées vers l’acquisition centrale par un système de fibre optique. La connexion vers le système de déclenchement central se fait elle aussi via des fibres optiques.
3.3.1 Synchronisation de la fenêtre de lecture des mémoires analo-giques
Une fenêtre de lecture contient Nf = 16 cellules de 1 ns sur les 1024 constituant la puce NECTAr. Le processus de lecture est le suivant : lorsque la commande de lecture est reçue la puce NECTAr arrête son échantillonnage, la première cellule de la fenêtre de lecture qui sera sélectionnée dépendra de Nd qui représente le temps de latence entre lequel le signal est reçu par le pixel et le moment où le système de déclenchement revient au tiroir. La première cellule sera donc la(1024 Nd)e. La charge dans les cellules contenues dans la fenêtre de lecture est lue et enregistrée, pour obtenir la forme du signal. La figure 3.4 montre la distribution du signal correspondant à un signal électrique en coups d’ADC en fonction du temps.
3.3 La nouvelle électronique des tiroirs
Figure3.3:Photo des nouvelles cartes analogiques sur la droite et la gauche ainsi que la carte de contrôle au centre. Les 8 carrés noirs sur chaque carte analogique correspondent aux puces NECTAr.
3.3.2 Les voies d’acquisition du signal
Pour chaque pixel (PM) il y a 3 canaux, un canal pour le déclenchement, et 2 canaux d’acquisition avec des gains distincts : le haut gain (HG), avec un facteur d’amplification de
⇥15,1, est utilisé pour des charges allant jusqu’à 200 photo-électrons (p.e), et le bas gain (LG), avec un facteur de⇥0.68, couvrant les charges au delà de 15 p.e. La figure 3.5 montre la gamme de voltage où les deux canaux sont considérés comme ayant une réponse linéaire (courbe ajustée en rouge), c’est à dire lorsque le voltage reçu est proportionnel au nombre de coups d’ADC en sortie. Le bas gain est généralement utilisé pour les gerbes les plus énergétiques alors que le haut gain permettra d’entrevoir les plus faibles d’entre elles.
Le signal du PM est mesuré à travers une résistance RPM = 50 ⌦puis est amplifié dans les deux canaux (HG et LG). Le signal analogique est ensuite acheminé dans les puces NEC-TAr. L’échantillonnage se fait à une vitesse de 1 GHz et le voltage est gardé en mémoire dans les 1024 condensateurs constituant les cellules. Le système de déclenchement donne l’ordre à l’échantillonnage de se stopper. Les Nf cellules sont lues une par une, le signal passe par un convertisseur analogique numérique (ADC) ayant un facteur de conversion de 0.49 mV/(coup d’ADC). Dans toutes les 16 cellules lues le signal est converti en coup d’ADC. Le signal digi-talisé est mémorisé et traité dans un FPGA pour chacune des cartes d’acquisition, puis lesNf
échantillons sont sommés pour donner deux valeurs de charge en coup d’ADC équivalent par pixel, une pour le haut gain et une pour le bas gain.
Lorsqu’il n’y a aucun évènement et que le tiroir se trouve dans le noir complet on obtient une valeur de charge de base. Si on enregistre cette valeur de base sur un temps d’acquisition important, elle prend une forme que l’on peut ajuster par une gaussienne. La valeur moyenne de la gaussienne est appelé le piédestal et correspond au signal du bruit électronique pur. Cette valeur devra être retranchée à la valeur mesurée lors de l’enregistrement de signaux Tcherenkov.
3. La modernisation des caméras de H.E.S.S. I
Figure 3.4: Exemple du signal en coups d’ADC dans la fenêtre de lecture dans le haut gain contenant Nf=16 échantillons de 1 ns. Il est important que le maximum du signal soit atteint au milieu de la fenêtre de lecture pour intégrer toute la charge correspondant à un évènement, en particulier pour les cascades de très hautes énergies. L’échelle en violet correspond à la distribution des 235 signaux utilisés pour construire la figure.
La dispersion du bruit électronique par voie du système est représentée par la largeur à 1 de la gaussienne ajustant le piédestal. Elle doit être typiquement de l’ordre de20%de la valeur du signal pour 1 p.e., soit ⇠16coups d’ADC. Cette valeur fait partie des spécifications requises par la collaboration H.E.S.S. Un bruit électronique faible permet un étalonnage précis du gain de chaque pixel.
Le canal de haut gain est sensible à un photo-électron unique (SPE) : le nombre de coup d’ADC entre le maximum du piédestal électronique et le signal du SPE est ADC. Dans les spécifications demandées par H.E.S.S. il doit être de ⇠50 coups d’ADC, pour un PM ayant alimenté à 1050 V). Cette valeur est choisie afin que le pic du SPE puisse être clairement séparé du piédestal pour permettre un étalonnage de qualité dans le haut gain pour des cascades de basses énergies.
3.3.3 La carte de contrôle
En plus des cartes d’acquisitions, les tiroirs possèdent une carte de « slow control » qui permet la mesure de paramètres tel que la température et la gestion de l’alimentation HV grâce à des fournisseurs de courant pour chaque voie. Ces fournisseurs de courant sont des convertisseurs « DC-DC » ayant une régulation active pour la cathode (HV négative) et les quatre dernières dynodes. La carte de contrôle possède une puce ARM équipée de linux contrôlé depuis l’ordinateur central. Un FPGA est aussi présent et permet de réguler la lecture, le
3.3 La nouvelle électronique des tiroirs
déclenchement et la HV. La HV est mesurée dans un pixel avec une fréquence de 15,6 kHz pour identifier ceux affectés par la lumière des étoiles. Les PMs avec une valeur de HV supérieur à 5 V par rapport à la valeur nominale obtenue dans la base de donnée produisent les pixels non utilisables. Le FPGA permet de synchroniser le déclenchement dans le temps grâce à une horloge et éviter tout temps de transit entre les PMs dû à leurs différentes HV.
3.3.4 Les paramètres d’étalonnage du signal Tcherenkov
L’analyse standard du rayonnement Tcherenkov utilise comme point de départ l’amplitude du signal dans chaque pixel, donnée en p.e., induit par la lumière reçue dans le PM. Cette charge est ensuite corrigée par l’efficacité relative du pixel comparé à la valeur moyenne sur toute la caméra, on appelle cela le « flat-fielding ». L’étalonnage permet d’obtenir les coefficients de conversion pour transformer les coups d’ADC en p.e. pour chaque pixel.
Pour chaque évènement, le nombre de coups d’ADC dans les canaux de haut et bas gains sont respectivementADCHGet ADCLGet permettent de calculer l’amplitude en p.e.,AHG et ALG, reçu dans chaque pixel grâce aux relations :
AHG= ADCHG PHG
• PHG etPLG sont les valeurs des piédestaux pour les canaux HG et LG.
• eADC est le gain du canal de haut gain en coups d’ADC par p.e.
• HG/LG est le rapport des amplifications du haut et bas gain
• FF est le coefficient de « flat field »
Le coefficient de FF apporte une correction prenant en compte les variations optiques et quantiques entre les différents PM d’une même caméra. Pour l’analyse de l’image,AHG etALG sont l’amplitude du signal dans un pixel. La figure 3.5 représente les résultats des tests de linéarité dans le haut et bas gain. On remarque dans la figure du haut que le haut gain peut être utilisé jusqu’à⇠200p.e., avant saturation de l’ADC, et le bas gain prend ensuite le relais jusqu’à⇠3000p.e. .
En résumé les coefficients essentiels à la l’étalonnage sont : le rapport haut gain sur bas gain, la position des piédestaux dans les deux canaux, le gain eADC et le coefficient de « flat-field » pour chaque pixel. Il est aussi très important que toutes les voies ou pixels non opération-nels soient détectés dans le processus d’étalonnage pour éviter une erreur dans le calcul de l’amplitude.
3. La modernisation des caméras de H.E.S.S. I
Figure3.5:Haut : linéarité dans le haut gain. On constate la perte de linéarité au dessus de 0,1 V. avec un facteur de conversion eADC = 50le haut gain reste linéaire jusqu’à 200 p.e.. Bas : linéarité dans le bas gain.