Dans ce paragraphe, nous décrivons succéssivement les deux parties constitutives d'une tiroir, les cartes analogiques et la carte dite de de Slow-Control qui gère les communications entre le tiroir et le module de gestion.
5.4.1 L'électronique d'une carte analogique
Chacune des 120 cartes analogiques possède les fonctionnalités suivantes : la gestion de la gamme dynamique dans la partie mesure d'une part, et la réalisation de la logique de déclen- chement élémentaire sur huit PMs d'autre part. Le synoptique de l'électronique d'une carte analogique, donné sur la gure 5.5, indique que le signal de sortie de chaque PMest envoyé sur trois voies : deux voies d'échantillonnage de gains diérents pour gérer la gamme dynamique des mesures, et une voie de déclenchement (voie trigger).
5.4. LES TIROIRS 49 1 TIROIR Reset trigger Trigger 8 PMs 8 PMs dans MA1 dans MA2 ordres controles Nombre de PMs > seuil Nombre de PMs > seuil donnees d’acquisition
Carte analogique 2 (MA2) Carte mere (Slow Control) Carte analogique 1 (MA1)
Module Module de la camera declenchement Logique de gestion (CPU) temperatures, Nd, seuil trigger,... tensions, courants, ordre de lecture de declenchement central Vers le systeme donnees d’acquisition
Fig. 5.4: Les principales informations échangées entre les diérentes parties de l'électro- nique de la caméra. ADC ARS ARS Ω R = 51PM V ✕ −1 ✕ ✕ 1.33 1.33 ✕ ✕ 10.1 ✕ −5.41 PM 2
Voie de bas gain
Voie de haut gain
Multiplexeur PM 5 voies de 128 cellules 5 voies de 128 cellules comparateur activation/desactivation seuil ✕ 4 Sommateur Analogique ✕ −5.41 Voie de declenchement 8 ✕
Fig. 5.5: Synoptique de l'électronique d'une carte analogique de la caméra, incluant deux voies d'acquisition d'ampli cation diérentes, et une voie de déclenchement.
50 CHAPITRE 5. LES CAMÉRAS
La voie de d'échantillonnage
Gestion de la gamme dynamique. Une des caractéristiques de H.E.S.S. est de déterminer la distribution du photo-électron unique à la tension nominale utilisée lors des prises de données. Les simulations de γ d'energie de l'ordre de 10 TeV ont montré que leur détection nécessite d'élargir la gamme dynamique jusqu'à 1 600 photo-électrons. Ainsi, deux voies d'échantillonnage sont utilisées. Le signal de sortie du PM est transmis sur une voie de gain -50, qui couvre la gamme de 0 à 100 photo-électrons et sur laquelle on peut discriminer un seul photo-électron, et sur une voie de gain -4, qui couvre la gamme de 16 à 1 600 photo-électrons.
Voies d'échantillonnage. Le temps de l'élaboration du signal de déclenchement, à partir des mesures desPMs de la caméra, nécessite de stocker temporairement l'information analogique de chaque PM. La solution utilisée est basée sur l'utilisation de mémoires analogiques circulaires
ARS (Analogic Ring Sampler) possédant chacune cinq voies de 128 cellules et échantillonnant en permanence les signaux de 4 PMs à une fréquence de 1 GHz (une des voies est inutilisée)2.
Ces ARS (ARS0 [83]) ont été initialement conçues au CEA/DAPNIA-SEI pour l'expérience ANTARES [205]. Les ARSconservent donc l'histoire des dernières 128 ns des signaux des PMs, les données précédentes étant écrasées. Lors du déclenchement du télescope, le stockage continu des données dans les ARS est stoppé et les données, contenues dans NL (16) cellules d'ARS,
sont lues.
Lors de la lecture, seule une fenêtre de NL ns est relue. NL doit être supérieur à la durée du
signal duPMpour ne pas perdre d'informations, mais pas trop grand a n de ne pas intégrer du
NSBdans le signal. Le signal de sortie d'un PMa une largeur moyenne de 3 ns comme indiqué sur la gure 5.6, mais l'ARS l'élargit jusqu'à une dizaine de nanosecondes à mi-hauteur. NL
est xé à 16 ns. La lecture de l'ARS nécessite deux paramètres de contrôle : la largeur de la fenêtre, NL, et le paramètre Nd qui dé nit la position de la fenêtre centrée sur le signal qui a
déclenché la caméra ( gure 5.7). Lorsque la carte reçoit un ordre de lecture, lesARSs continuent à échantillonner le signal sur (128-Nd) ns puis s'arrêtent. La lecture des données sur NLcellules
commence alors. La valeur donnée à Nd, liée à la durée séparant l'événement à l'origine du
déclenchement et l'ordre de lecture reçu par la carte analogique, est donc très important : si Nd est trop grand, le signal qui a déclenché la mesure n'est pas encore arrivé dans la fenêtre
de lecture, mais si Nd est trop petit, le signal qui a déclenché la mesure a dépassé la fenêtre
de lecture et est en partie écrasé. La valeur donnée à Nd est de l'ordre de 70 échantillons. Son
étalonnage est décrit dans la section 8.1.
La lecture des données dure 275 µs et induit un temps mort incompréssible dans l'acquisition. Nous avons vu que le signal de chaque PM est échantillonné dans deux voies de gains diérents. Ils sont donc stockés dans deux voies d'ARS. De plus, pour limiter la diaphonie (déformation du signal de la voie de gain faible induite par le signal de la voie de gain élevé), deux ARSs diérentes sont utilisées. Une ARS donnée échantillonne donc le signal provenant soit de quatre voies de bas gain, soit de quatre voies de haut gain. La gure 5.8 montre la relation entre les 16 PMs d'un tiroir et les 8ARSs. Cette topologie est utilisée pour détecter les
ARSs instables lors de l'étalonnage (section 9.2).
Voies de lecture. Lorsqu'une carte analogique reçoit un signal de déclenchement, les signaux provenant des quatre ARSs de la carte sont multiplexés puis numérisés par un convertisseur
2Un échantillon correspond donc à une durée de 1 ns. Les paramètres NL et Nd utilisés dans la suite seront
5.4. LES TIROIRS 51
Fig. 5.6: Signal en sortie d'un PM.
echantillonnage du signal du PM echantillonnage du signal du PM
1−signal lumineux mesure par le PM
2−retour du trigger :
ordre de lecture 3−arret de l’echantillonnage apres 128−Nd ns,
puis lecture de Nl echantillons
a partir de la zone d’ecriture 128 − Nd
N echantillons lusL
Fig. 5.7: Lecture d'une voie d'ARS et dé nitions des paramètres NL et Nd.
2 8 9 13 0 1 3 15 14 12 10 11 7 6 5 4 Colonne 4 Colonne 3 Colonne 2 Colonne 1
Fig. 5.8: Schéma et numérotation des 16 PMs d'un tiroir. Chaque colonne de quatre PMs est associée à deux ARSs qui échantillonnent les données des voies de bas gain et de grand gain respecti- vement.
52 CHAPITRE 5. LES CAMÉRAS
analogique-numérique (ADC de 12 bits) avant d'être transmis au module de gestion de la caméra. Un circuit intégré (FPGA Altera, Field Programmable Gate Arrays) dans la carte analogique gère la mise en forme des blocs de données à transmettre. En particulier, ce circuit réalise un pré-traitement des données qui peut fonctionner en deux modes :
échantillon : utilisé pour certains tests, enregistre pour chaquePM les NLéchantillons du
signal3,
charge : utilisé lors des prises de données, réalise la somme numérique des NLéchantillons
pour chaquePMet ne transmet ainsi qu'une valeur par voie. Ce mode transmet donc des blocs de données plus courts et permet une acquisition plus rapide.
Ces données sont transmises au sol, à la ferme de PCs, pour être stockées et analysées. Toutes les cartes sont traitées en parallèle, en 300 µs en mode charge.
La voie de déclenchement
Cette voie est décrite section 6.1.2 et schématisée gure 5.5. Le signal de sortie est fonction du nombre de PMs de la carte dont le signal dépasse un certain seuil en photo-électrons.
5.4.2 L'électronique d'une carte Slow-Control
Chaque tiroir contient une carte Slow-Control qui gère les communications entre le tiroir et le module de gestion. Toutes les informations de contrôle de l'ensemble du tiroir sont numérisées et stockées en permanence dans un FPGA Altera. Un bus, nommé Box-Bus, transmet ces données au module de gestion et l'ensemble des paramètres de con gurations aux tiroirs. Il est connecté à une carte d'interface FIFO, point de convergence des données. Le processeur la relit par un bus cPCI4. En fait, 8 BoxBus assurent le transfert en parallèle des données de 7 ou 8
tiroirs chacun.
Lors de l'envoi sur un bus, les données sont empaquetées dans des mots dont la nature est dé nie par un en-tête et un en-queue pour véri er le bon déroulement de la lecture après transfert, au niveau du système d'acquisition. Les mots contiennent ainsi l'adresse du tiroir ou de la carte analogique correspondante.
Les paramètres de con guration et de contrôle du tiroir transitent par la carte Slow-Control et se situent à trois niveaux :
Pixels : les hautes tensions des PMs peuvent être programmées en ajustant les valeurs des basses tensions des bases des PMs. Ces tensions sont relues régulièrement. La mise sous tension et la participation à la logique de déclenchement de chaque pixel peuvent être activées ou désactivées individuellement. Plusieurs paramètres de contrôles sont ré- gulièrement lus sur chaque pixel : le courant de haute tension (HVI), le courant d'anode (DCI) et la valeur d'un compteur (échelles) du nombre de déclenchements sur une durée déterminée. Ces données sont enregistrées.
Cartes analogiques : les paramètres de con guration des ARSs (Nd et NL), le mode de
lecture (charge ou échantillon) et le seuil du comparateur de la voie de déclenchement sont programmables. Ils peuvent être relus.
Températures du tiroir : la température du tiroir est mesurée en trois points, au niveau des bases des PMs, sur une ARS et à l'arrière du tiroir. Nous verrons dans la description
3On enregistre aussi la position de la première cellule lue de l'ARS a n de véri er si les ARSs ont des
problèmes dans certaines cellules.