Séparation des signaux

Dans Nucifer, la sortie de chaque PM doit être séparée en quatre : une copie va dans la logique de déclenchement, les autres permettant l’enregistrement du temps, de la charge totale et de la charge de la queue de l’impulsion. La charge de la queue est nécessaire pour exploiter la forme des impulsions en plus de leur intégrale (la charge totale), afin de discriminer la particule à l’origine de la scintillation comme expliqué au chapitre 4. Le temps d’arrivée de l’impulsion sur chaque PM peut permettre de remonter au vertex d’interaction, pour par exemple isoler un volume fiduciel ou demander la proximité spatiale en plus de la coïncidence temporelle pour les événements neutrinos.

La première étape dans le traitement des signaux issus des PM est donc leur séparation en quatre. Une séparation naïve (4 fils branchés ensemble) ou résistive (en intercalant une résistance entre le nœud de séparation et les sorties, on assure l’adaptation d’impédance et l’équilibre des sorties) divise l’amplitude du signal en 4. Or l’étalonnage des charges nécessite la détection du photoélectron seul, qui se manifeste par une impulsion de quelques dizaines de millivolts d’amplitude. Il est possible dans une certaine mesure d’augmenter la haute tension pour augmenter le gain des PM et ainsi chercher à obtenir un photoélectron seul détectable même après la division de l’amplitude en 4. Les gains des PM Nucifer peuvent dépasser 108

et doublent approximativement tous les 100 V (voir les courbes d’étalonnage en annexe D.5), mais la limite de tension préconisée par le constructeur est de 1650 V. En tenant compte de l’utilisation de bases « tapered », affligées d’un gain inférieur aux bases standards, et de cette limite en gain, la division résistive devient impossible.

Figure 3.20 – Séparateur inductif testé pour Nucifer [90].

La première solution envisagée fut l’utilisation de séparateurs inductifs (modèle ZB4PD1- 500+ de la compagnie Minicircuits [90], voir figure 3.20), qui ne divisent l’amplitude que par 2 pour 4 voies de sorties. Évidemment, l’impédance de ce type de circuit comporte une compo- sante complexe due aux inductances internes. Malheureusement pour nous, l’interaction entre le séparateur et le module d’intégration des impulsions qui lui comporte des capacités crée un circuit résonnant qui emmagasine une partie de l’énergie de l’impulsion pour la restituer ensuite en sens inverse avec un temps caractéristique long devant la durée d’une impulsion (un exemple est montré figure 3.21). Ce phénomène est équivalent à une remontée temporaire de la ligne de base, et toute impulsion se trouvant dans une telle remontée verra sa charge sous-estimée.

Ce phénomène de résonance dégrade significativement les charges mesurées. L’effet est particulièrement visible sur le piédestal. Pour le calculer, nous intégrons le signal de sortie des PM au hasard ; le résultat devrait être presque toujours l’intégrale de la ligne de base, donc une constante aux variations de mesure près. Comme les impulsions sont négatives, l’intégrale est calculée sur l’inverse du signal et le piédestal est positif après réglage des paramètres d’intégration. Mais la remontée de ligne de base qui suit chaque impulsion fait qu’un nombre significatif des intégrations prises au hasard donnent une charge inférieure à la

Figure 3.21 – Remontée de ligne de base après une impulsion de PM Nucifer. L’impulsion du PM Nucifer est négative, n’est large que de quelques nanosecondes et atteint la saturation de la carte d’acquisition. Elle est suivie par une longue exponentielle décroissante positive.

charge attendue (puisque le signal est temporairement positif), ce qui provoque l’apparition d’une queue à gauche du pic piédestal (figure 3.22a).

Nous avons donc décidé de changer de méthode de séparation pour nous porter sur un séparateur actif, à base d’amplificateurs, conçu et réalisé au SEDI. Comme le signal est amplifié et le gain réglable, la haute tension des PM est ajustable librement tout en assurant la détection du photoélectron seul. Les remontées positives dues aux résonances sont supprimées, ce séparateur actif donne donc entière satisfaction. Il se présente sous la forme d’un boîtier NIM doté de 16 entrées à l’arrière et 3 sorties par voie en face avant. La somme analogique des 16 voies est réalisée en interne et constitue la 49e sortie, directement disponible pour la

logique.

Malheureusement, une autre source de remontée positive a été identifiée : les impulsions qui saturent complétement le PM, dont certaines atteignent plusieurs volts, et qui sont pro- bablement dues aux muons cosmiques qui impactent directement l’ampoule. Dans ce cas, le PM a besoin d’une centaine de microsecondes avant de retrouver l’équilibre, parfois plus. Ces saturations peuvent toutefois être identifiées à l’analyse, ce qui permet d’appliquer un veto d’analyse : tous les événements qui suivent une saturation sont rejetés tant que la durée qui les sépare de la saturation est inférieure à la durée du veto. Une fois le séparateur actif et le veto d’analyse mis en place, le piédestal retrouve la forme attendue, comme le montre la figure 3.22b.

Pour être sûrs de s’affranchir des fluctuations de ligne de base, nous devrions appliquer un veto d’une milliseconde après chaque saturation d’un PM. Pour conserver un temps mort acceptable, sous les 10 %, il faut donc que le taux de saturations reste sous 100 Hz. Dans le cas contraire, il faut diminuer la durée du veto et le piédestal garde alors une faible queue à gauche du pic.

Total Charge [pe] 50 100 150 200 250 300 events [] 10 2 10 3 10 4 10 5 10

Total Charge, trigger random + spe, ch2

(a) Avec séparateur inductif

Total Charge [pe]

50 100 150 200 250 300 events [] 1 10 2 10 3 10 4 10

Total Charge, trigger random + spe, ch1

(b) Avec séparateur actif + veto d’analyse de 1 ms Figure 3.22 – Piédestal de Nucifer. La bosse qui se trouve une trentaine de canaux après le

piédestal est le photoélectron seul. On devine les 2e _{et 3}e_{photoélectrons à plus haute charge. Avec le}

séparateur inductif, environ 7 % des événements ont une charge plus faible que le piédestal.