2.5 Principe d’analyse de données avec H.E.S.S
2.5.3 Reconstruction spectrale
La méthode de reconstruction présentée ici fait partie de la méthode d’analyseModel++, elle est basée sur la comparaison du nombre d’évènements dans des cellules en énergie avec celle obtenue avec une forme spectrale prédéfinie. La méthode du maximum de vraisemblance est ensuite utilisée pour extraire les différents paramètres. Pour appliquer cette méthode il faut connaitre les fonctions de réponse de l’instrument : résolution en énergie, surface effective du détecteur en fonction de l’énergie, des conditions d’observations (✓, ) et l’efficacité optique.
Il est possible de les obtenir en utilisant des simulations de cascades électromagnétiques pour différentes valeurs d’angle zénithaux, d’offsetet d’efficacité optique.
2. L’instrument H.E.S.S.
Figure2.9: Résolution en énergie de H.E.S.S. en analyse Combinée (ligne bleue), Mono (ligne rouge) et Stéréo (ligne verte) avec 80% d’efficacité optique, pour unoffsetfixé à 0 .
La probabilité de reconstruire un évènement d’énergie vraieEavec une énergieE¯est estimée à partir de simulations et stockée dans des tables. La résolution en énergie E/E et le biais en énergie sont calculés à partir de ces tables. La figure 2.9 représente l’évolution de la résolution en énergie pour unoffsetfixé à 0 et les trois différentes méthode d’analyse avec H.E.S.S. II.
Surface effective
Figure 2.10: Surface effective de H.E.S.S. en analyse Combinée pour 80% d’efficacité optique.À gauche: Pour un angle zénithal d’observation fixé à 0 et desoffsetde 0 (carrés rouges), 1 (carrés verts) et 2 (carrés bleus). La surface effective sans coupure d’analyse est représentée par les ronds rouges.À droite: Pour unoffsetfixé à 0 et des angles zénithaux d’observation de 0 (carrés rouges), 46 (carrés verts) et 60 (carrés bleus). La surface effective sans coupure d’analyse est représentée par les ronds rouges.
2.5 Principe d’analyse de données avec H.E.S.S.
La surface effective de collection du détecteur aux rayons en fonction de l’énergie vraiE, de l’angle zénithal✓, de l’offset et de l’efficacité optiqueµs’exprime de la manière suivante :
A(E,✓, , µ) = Z
dS⇥✏(~r, E,✓, , µ) (2.7) où✏(~r, E,✓, , µ)est l’efficacité de collection en fonction des paramètres. La figure 2.10 montre la dépendance de la surface effective en observation Combinée (CT1-5) en fonction de l’angle zénithal et de l’offset en fonction de l’énergie du rayons primaire. L’énergie de seuil est définie lorsque la surface effective est supérieure à 20% du maximum pour éviter les incertitudes systématiques à basse énergie. Lorsque l’offset augmente le seuil augmente car les cascades peuvent se développer hors du champs de vue et seuls les rayons de hautes énergies sont bien reconstruits. Lorsque l’angle zénithal augmente, le seuil augmente et la surface effective augmente au delà de quelques TeV puisque seuls les cascades les plus énergétiques sont les seules capables de traverser la plus grande épaisseur d’atmosphère.
Maximum de vraisemblance
La méthode présentée ici s’appuie sur une hypothèse de forme spectrale, convoluée par la réponse du détecteur pour être comparée avec les observations. Le maximum de vraisemblance permet de converger vers les paramètres préférées par les données avec une forme spectrale d’ajustement en supposant que le nombre de rayons dans les régions ON et OFF suit une loi de Poisson : Les échantillons de la distribution mesurée sont données dans des intervalles :
• En énergie reconstruite,[ ˜Eimine E˜imaxe ]avec ln( ˜E) = 0.25
• En angle zénithal,[ miniz maxiz ]avec cos(✓) = 0.02
• Enoffset,[ minid maxid ]avec = 0.5
• En efficacité optique[µminir µmaxir ]avec µ= 0.1
Les nombres de candidats observés dans chaque intervalle des régions ON ( ON) et OFF ( OFF) sont comptés et l’excès observé de rayons peut s’écrire :
Sobs,ie,iz,id,ir = ONie,iz,id,ir ↵⇥ OFFie,iz,id,ir (2.8) où↵est ici le rapport de taille entre les régions ON et OFF.
Le nombre attendu de rayons dans un intervalle ie,iz,id,ir se calcule par l’intégrale :
Sithe,iz,id,ir =⌧ON
⇤thest la forme supposée du spectre,✓¯i,z est l’angle zénithal moyen dans l’intervalle iz,
id est l’offset de l’intervalle id, et µir est l’efficacité optique de l’intervalle ir. On utilise aussi la surface effectiveAdes photons d’énergie vraieEetP la probabilité de reconstruire un rayon d’énergie vraiE à une énergieE.˜ ⌧ON représente de temps d’observation de la région ON.
2. L’instrument H.E.S.S.
On peut donc construire une fonction de vraisemblance prenant en compte les probabilités d’obtenir les distributions d’événements dans la région ON et OFF et la maximiser pour les forme spectrales supposées. Les principales formes spectrales qui seront testées lors des chapitres suivants sont :
• La loi de puissance cassée : dN
• La loi de puissance avec coupure exponentielle : dN
• La loi de puissance avec coupure super exponentielle : dN oùE0 est l’énergie de référence en TeV du spectre, l’indice spectral, 0 la normalisation du flux en TeV 1m 2s 1 etEc l’énergie de coupure en TeV.
Dans le chapitre suivant nous expliquerons en détails la modernisation de l’électronique des caméras de CT1 à 4 ainsi que le processus d’étalonnage nécessaire pour reconstruire les évènements .
Chapitre 3
La modernisation des caméras de H.E.S.S. I
Sommaire
3.1 Les nouveaux équipements . . . 38 3.2 Les puces NECTAr . . . 41 3.3 La nouvelle électronique des tiroirs . . . 42 3.3.1 Synchronisation de la fenêtre de lecture des mémoires analogiques . 42 3.3.2 Les voies d’acquisition du signal . . . 43 3.3.3 La carte de contrôle . . . 44 3.3.4 Les paramètres d’étalonnage du signal Tcherenkov . . . 45 3.4 Les tests de performances . . . 46 3.4.1 Description du banc de test . . . 46 3.4.2 Mesure des piédestaux électroniques . . . 47 3.4.3 Facteur de conversion entre coups ADC et charge du signal . . . 49 3.4.4 Couplage entre les différents canaux . . . 51 3.4.5 Banc de test pour 4 tiroirs et installation sur site . . . 52 3.5 Suivi et contrôle premières données de CT1U . . . 53 3.5.1 Runde piédestaux électroniques . . . 54 3.5.2 Runde photo-électron unique . . . 54 3.5.3 Réduction du temps mort . . . 55 3.6 Conclusion et perspectives . . . 57
3. La modernisation des caméras de H.E.S.S. I
La modernisation des caméras de CT1 à 4 intervient plus de 10 ans après la mise en service de l’instrument H.E.S.S. . Le vieillissement des caméras et les meilleurs composants électro-niques à notre disposition justifient amplement une telle intervention. Les principales raisons poussant vers cette modernisation sont la réduction du temps mort de la caméra, l’améliora-tion de l’ensemble des performances du réseau actuel permettant de diminuer les défaillances, ainsi qu’assurer la continuité de H.E.S.S. avant l’arrivée de CTA (voir chapitre 10). Certains composants de la nouvelle électronique utilisés telles que les puces NECTAr font aussi partie du design des cartes électroniques des caméras des télescopes de tailles moyennes du futur grand réseau de télescopes Cherenkov CTA. La réduction du temps mort est nécessaire pour bénéfi-cier des performances de l’électronique d’acquisition de CT5. Initialement le temps de lecture total d’un télescope de H.E.S.S. I est de ⇠450µs, ce qui est acceptable si l’on considère un taux de déclenchement de l’ordre de 200 à 400 Hz. Cependant, le nouveau télescope CT5 a lui un taux de déclenchement pouvant aller au delà de 1.5 kHz. Il peut donc y avoir beaucoup d’événements perdus par CT1 à 4, ce qui correspond à un temps mort en stéréoscopie de plus de 10%. Pour réduire ce temps mort l’actuel système de lecture va être remplacé par un plus rapide fonctionnant via des câbles Ethernet ainsi que des cartes électroniques plus modernes construites autour de la puce NECTAr [23]. La nouvelle électronique permet d’abaisser le temps de lecture du télescope modernisé à⇠15µs, la fréquence du système de déclenchement central est multipliée par ⇠2 et la fréquence de lecture par ⇠3. Ce qui donne un temps mort total en stéréoscopie autour de 1%. Enfin, pour réduire les défaillances dues au vieillissement, de nombreux éléments vont être changés : le câblage, la ventilation, l’alimentation en courant et la pneumatique.
Dans ce chapitre nous décrirons dans un premier temps (section 3.1) les nouveaux équipe-ments composant la caméra puis nous présenterons dans la section 3.4 les tests de performances effectués sur la nouvelle électronique des tiroirs. Parmi ces tests nous trouverons : la mesure du piédestal électronique, de la réponse à un photo-électron unique ou encore la linéarité dans les canaux de haut et bas gain. Ce travail a été réalisé pendant 1 an à DESY Zeuthen et a donné lieu à un proceeding de conférence [24]. Dans une dernière partie (section 3.5) nous montrerons l’étalonnage des premières données obtenues avec la caméra de CT1 modernisée sur site.
3.1 Les nouveaux équipements
La modernisation des composants se fait autant au niveau électronique que mécanique, la figure 3.1 schématise l’architecture de la caméra CT1 de H.E.S.S. modernisé (CT1U), ainsi que les connexions des composants. Les composants inchangés sont représentés en vert, les nouveaux modules produits en laboratoire sont en bleus et les modules provenant de produits commerciaux en oranges. Tout ce qui était à l’intérieur de la caméra a été remplacé sauf les PMs et leur base générant la haute tension. Pour décrire la figure 3.1 avec plus de facilité il faut suivre le chemin emprunté par le signal, donc de la droite vers la gauche. Les premiers composants remplacés sont les cartes analogiques contenues dans les 60 tiroirs. Ce chapitre décrit principalement les tests qui ont été effectués pour vérifier leur bon fonctionnement. Chaque tiroir
3.1 Les nouveaux équipements
a donc 16 PMs dont le signal est lu par 2 cartes analogiques (8 PMs chacune) interfacées à une carte de contrôle. L’électronique située à l’arrière de la caméra qui était placée sur 2 baies électroniques n’est maintenant déployée que sur une seule appelée DIB (Drawer Interface Box) où est située presque tout ce qui concerne le contrôle, la sécurité et la logique de déclenchement.
Les tiroirs sont connectés aux réseaux de données et d’alimentation situés dans le DIB à travers une carte de connexion possédant 3 connecteurs : deux RJ45, un pour ethernet et un pour le système de déclenchement, le contrôle de lecture ou le chronomètre, et un M8 à 4 entré pour l’alimentation (24 V DC). Le DIB est composé de 3 parties : un panneau avant, une carte principale et une carte de système de déclenchement analogique. La connexion avant est équipée de 60 connecteurs RJ45 pour l’horloge du tiroir, le contrôle d’acquisition et le signal de déclenchement, un connecteur ethernet, plusieurs connecteurs M8 et des connecteurs LEMO-00 auxiliaires. Les fonctions de contrôle et de sécurité sont implémentées dans le FPGA sur la carte principale. Tous les composants périphériques comme le GPS, les pneumatiques, l’alimentation et la ventilation sont contrôlés depuis cette carte et tous les capteurs y sont aussi lus. Il existe une logique de sécurité dans les FPGA qui se base sur les entrées de ces capteurs. En cas de défaillance, comme une coupure d’alimentation ou une trop importante exposition à la lumière, cette logique coupe le haut voltage de PMs et referme le couvercle de la caméra. La carte principale héberge également le système de déclenchement responsable au niveau de la caméra.
Les tiroirs sont alimentés par une boîte PDB (Power Distribution Box) possédant 64 ca-naux qui surveille en permanence la consommation électrique de chaque tiroir. L’alimentation principale provient du commerce et est composée d’une unité de 3 modules qui délivrent les 24 V et 80 A nécessaire au fonctionnement de la caméra. Deux modules partagent la charge le troisième sert en cas de défaillance de l’un des deux autres.
Le DIB, l’alimentation et les tiroirs sont tous équipés d’un FPGAAltera Cyclone IVcouplé à un ordinateur ARM (TASK IT Stamp 9G45) pour un maximum de flexibilité et une facilité de contrôle et de communication.
La technique de ventilation a, quand à elle, complètement été revue et le nouveau système a été mis en place sur la porte arrière. Il comporte un seul ventilateur au lieu de plusieurs qui étaient montés sur les cotés de la caméra. La fermeture et l’ouverture de la porte arrière est aidée par la présence d’éléments pneumatiques. De nombreux capteurs ont été déployés en dehors et dans la caméra pour contrôler la lumière ambiante, la température, la fumée ou encore l’humidité. Certains d’entre eux permettent un système de verrouillage qui garantie la sécurité de l’électronique et du personnel sur place.
3. La modernisation des caméras de H.E.S.S. I
Telescope Shelter
HESS1U CameraTelescope Hut New or redesigned module
60x
Connection Board FAN Drawer Mechanics
Cherenk ov Light
Highly energeticGamma radiation Power- Distribution-Box Analog Trigger Board: 38 supercluster trigger circuits
Timing, Trigger & Slow Control Board
120x diff. Anal. Trig.Acq. Control & Clock 60x Cat.6a cable Unchanged component Commercial product 2x Analog Board (16 Channels)
1x Slow Control Board 16x PM Base 16x Photo Multiplier
Ethernet Switches 60x Network Cable Pneumatic Lid Control
Single PE Unit Remote front lid open Contact Local Mode Contact front-lid open Contact back-lid open
Power Terminal400V AC 3-Phases 8-10 bar
230V AC 8x Positioning Leds (POF)
Farm Optical Fiber (Network) Ventilation System
Door, Humidity & Temp. Sensors back-lid contact
front-lid contact
GPS Antenna (replaced)GPS Signal
Front Panel Ambient Light Sensor
Acq. Management & Trigger control GPS Module & Interface Slow control
Drawer Interface Box (DIB) 38x120x Optical fiber position poles at camera focal plane
Contact pressure ok Contact front-lid moving Status R4 2015-01-28
Ventilation OK
Main 24V RailControl Status 60x Power Cable 24V Main Power Supply Aux. 24VDrawer Power Enable
Camera PC Optical Fiber
Trigger of FF Unit Isolated FF-transmitter Smoke Detector
Telescope Mirror 30mFlatfielding UnitReceiver protection
Central TriggerOptical Fiber Figure3.1:ArchitectureélectroniquedelamodernisationdeH.E.S.S.I.Lessystèmesoriginauxnonmodifiéssontcolorésenvert. Lorsquecelaaétépossibledenouveauxproduitsprovenantducommerceontétéutilisés,ceuxcisontcolorésenorangecommepar exemplelecâblagequisecomposeprincipalementdecâblesEthernetetdecâblesM8.Lesboitescoloréesenbleuereprésententles composantsremplacés.