Fig. 3.4: R´eponse d’un photomultiplicateur prototype (de moindre qualit´e que les photomultiplicateurs d´efinitifs) sans guide de lumi`ere, `a gauche, et avec, `a droite, en fonction de la position de la fibre.
de la surface de la photocathode supprimant ainsi toute corr´elation entre la position de la fibre et la partie de la photocathode mis en jeu. Des ´etudes ont montr´e qu’un guide de lumi`ere parall´el´epip´edique de section carr´e, et environ deux fois plus long que large remplit parfaitement cette fonction [56]. Cette configuration a donc ´et´e choisie. Les guides de lumi`ere utilis´es dans le Tilecal ont une section de 18 × 18 mm2 et une longueur de 43 mm. Ils sont en plexiglas `a la fois tr`es transparent dans le visible et tr`es bon absorbeur d’ultraviolet pour ´eviter que toute lumi`ere Cerenkov produite par le passage d’une particule ionisante dans le guide de lumi`ere puisse atteindre le photo-multiplicateur. La figure 3.4 montre que le guide de lumi`ere permet de compl`etement uniformiser la r´eponse du photomultiplicateur.
3.4 Le syst`eme de lecture
Une grande partie de l’´electronique du Tilecal est situ´ee sur le d´etecteur, `a l’int´e-rieur des poutres m´etalliques soutenant les modules (voir figure 3.1). Le signal optique est transform´e en signal ´electrique et amplifi´e par un photomultiplicateur. Il est alors mis en forme, digitalis´e puis stock´e pendant le temps de latence li´e `a la d´ecision du d´eclenchement de premier niveau. Si celle-ci est positive, il sort enfin du Tilecal sous forme optique grˆace `a une interface opto-´electronique. Les signaux de d´eclenchement de premier niveau sont quant `a eux extraits du calorim`etre directement sous forme analo-gique. Le syst`eme de distribution et de r´egulation des hautes tensions des photomulti-plicateurs ainsi que la source des basses tensions servant `a l’ensemble de l’´electronique
42 Le calorim`etre `a tuiles scintillantes : Tilecal Cesium Physic Events Laser CIS TTC ADC Integrator Analog Digital Adder Optical Link Board Mother Digitizer Tile Fiber Light Mixer 3-in-1 Divider PMT Tilecal Drawer PMT Block ROD Energy Trigger Muon Hadron Trigger H L HV Micro Bus Board HV Opto 7 Temp. Probes Canbus HV DC Calibrations (via Canbus) Minimum Bias
Fig. 3.5: Les syst`emes d’acquisition et d’´etalonnage du Tilecal.
int´egr´ee sont aussi log´es `a l’int´erieur des supports m´ecaniques. Les ensembles logiques, les circuits de transmission des donn´ees (ReadOut Driver, ROD) vers les zones tam-pons du second niveau d’acquisition, les sources de hautes tensions et les syst`emes d’´etalonnage et de contrˆole subsistent `a l’ext´erieur du d´etecteur. La figure 3.5 montre le principe de fonctionnement de l’´electronique du Tilecal.
L’´el´ement de base de l’´electronique int´egr´ee est le super-tiroir. Celui-ci est constitu´e d’un train de deux tiroirs s’ins´erant dans la poutre m´etallique qui sert de support au module. Chaque module contient deux super-tiroirs dans le tonneau central, et un seul dans les tonneaux ´etendus. La puissance dissip´ee par l’ensemble de l’´electronique d’un super-tiroir avoisine les 200 W. Elle est ´evacu´ee grˆace `a un syst`eme de circulation d’eau `a une pression inf´erieure `a la pression atmosph´erique afin d’´eviter la possibilit´e de propagation d’eau `a l’int´erieur des tiroirs [57] : en cas de fuite, toute l’eau est aspir´ee vers les r´eservoirs ext´erieurs. Ce syst`eme permet de r´eguler la temp´erature `a l’int´erieur du super-tiroir, contrˆol´ee en permanence par un ensemble de sondes, `a mieux que 0.25◦
C soit une variation du gain des photomultiplicateurs de moins de 0.05 % [58].
3.4 Le syst`eme de lecture 43
Fig. 3.6: Les composants d’un bloc photomultiplicateur.
Un tiroir est ´equip´e d’un maximum de 24 blocs photomultiplicateurs qui consistent en l’assemblage d’un guide de lumi`ere, d’un photomultiplicateur, d’un pont diviseur, et d’une carte 3-en-1. Comme le montre la figure 3.6, le tout est ins´er´e dans un pro-tection m´etallique contre les champs magn´etiques. Par´es de ce blindage, les photomul-tiplicateurs peuvent supporter sans variation d’amplification des champs magn´etiques transverses de 800 Gauss et longitudinaux de 200 Gauss, soit un facteur de s´ecurit´e de plus de 40 par rapport aux champs attendus dans ATLAS [59].
Le photomultiplicateur [60] convertit le signal optique en signal ´electrique au ni-veau de sa photocathode, il l’amplifie ensuite jusqu’`a un nini-veau acceptable grˆace `a sa succession de dynodes. L’efficacit´e quantique obtenue, rapport entre le nombre d’´electrons ´emis par la photocathode ou photo-´electrons puis collect´es par la premi`ere dynode et le nombre de photons re¸cus, est typiquement de 18 %. Le gain nominal des photomultiplicateurs est de 105, ce qui correspond, pour une photo-statistique de 50 pe/GeV, `a une charge de 0.8 pC/GeV et, la dur´ee du signal ´etant d’environ 16 ns, `a une intensit´e de 50 µA/GeV. Le courant d’obscurit´e des photomultiplicateurs est de l’ordre de 100 pA, c’est-`a-dire compl`etement n´egligeable devant le bruit de fond provenant de l’´electronique de mise en forme. La caract´erisation de ces photomultipli-cateurs et leur implantation dans le calorim`etre seront trait´ees en d´etail dans les deux chapitres suivants.
Le rˆole du pont diviseur est de r´epartir la haute tension appliqu´ee aux bornes des dynodes du photomultiplicateur. Il est aliment´e par le syst`eme de distribution et de r´egulation des hautes tensions [61]. Ce dernier fournit `a partir d’une tension d’entr´ee par super-tiroir la tension d´esir´ee aux bornes de chacun des photomultiplicateurs. Il dispose d’un opto-coupleur par photomultiplicateur r´egulant individuellement la haute tension `a mieux que 0.1 V, soit une variation de gain de moins de 0.1 %. Il permet
44 Le calorim`etre `a tuiles scintillantes : Tilecal par ailleurs de suivre en continu les hautes tensions r´eellement appliqu´ees aux bornes des photomultiplicateurs. Il peut ˆetre command´e `a distance pour changer les consignes de haute tension au niveau des photomultiplicateurs et allumer ou ´eteindre la haute tension au niveau du super-tiroir. Il choisit de plus automatiquement, en fonction des consignes sur les photomultiplicateurs, la haute tension d’entr´ee pour le super-tiroir parmi les deux valeurs dont il dispose, −830 V et −950 V.
La carte 3-en-1 [62] dispose de syst`emes de mesure des impulsions, de mesure des courants, et de contrˆole. La carte 3-en-1 met en forme les impulsions ´electriques qui sont issues soit du photomultiplicateur dans le cas des ´ev´enements physiques ou de l’´etalonnage `a l’aide du laser, soit de la carte 3-en-1 elle-mˆeme dans le cas de l’´etalonnage par injection de charges. La largeur `a mi-hauteur du signal obtenu est de 50 ns, sa forme est ind´ependante de la hauteur de l’impulsion de d´epart. A ce niveau, la carte 3-en-1 dispose d’une sortie bas gain et d’une sortie haut gain, le rapport des gains ´etant de 64. Les deux sorties sont envoy´ees vers la digitalisation alors que seule la sortie bas gain est envoy´ee vers le d´eclenchement de premier niveau. La mesure de courant se fait en int´egrant le signal du photomultiplicateur pendant quelques ms. Elle sert lors de l’´etalonnage par une source radioactive et `a la mesure des ´ev´enements de biais minimum. Cette information est transmise vers un ADC int´egrateur avec la possibilit´e de choisir l’un des six gains dont dispose la carte 3-en-1. Le syst`eme de contrˆole permet de commander la carte 3-en-1 `a distance. Il est utile pour l’´etalonnage par injection de charges, le choix du gain pour la mesure de courant, et la possibilit´e de court-circuiter la voie de sortie du d´eclenchement de premier niveau si jamais quelque chose ne fonctionne pas dans l’ensemble du bloc photomultiplicateur.
Chaque carte du d´eclenchement de premier niveau (adder) re¸coit les signaux de l’ensemble des photomultiplicateurs d’une tour pseudo-projective ∆η × ∆φ = 0.1 × 0.1 par l’interm´ediaire de cˆables de d´elai permettant de tenir compte du temps de vol des particules dans le calorim`etre et des temps de propagation de la lumi`ere dans les tuiles et les fibres. Elle dispose de deux sorties : une pour les jets qui est la somme des pho-tomultiplicateurs de la tour et une pour les muons correspondant au dernier segment longitudinal. Ces sorties sont envoy´ees vers l’acquisition g´en´erale apr`es amplification d’un facteur 8.
Les cartes de digitalisation [63] ´echantillonnent les sorties des cartes 3-en-1 toutes les 25 ns sur des ADC 10 bits. Compte tenu du rapport entre les gains haut et bas, la gamme dynamique est de 16 bits, soit des ´energies allant du bruit de fond ´electronique `a un TeV par photomultiplicateur. Ces cartes disposent de plus de m´emoires tampons dans lesquelles les signaux digitalis´es sont stock´es pendant 2.5 µs pour attendre la d´ecision du d´eclenchement de premier niveau.
L’interface opto-´electronique est command´ee par une fibre optique provenant de l’acquisition g´en´erale (Timing Trigger and Control, TTC) qui fournit le temps d’hor-loge du LHC ainsi que les croisements de paquets pour lesquels le d´eclenchement de premier niveau a ´et´e valid´e. Elle extrait des cartes de digitalisation les ´echantillons
cor-3.5 Les diff´erents niveaux d’´etalonnage 45