Une caméra finement pixellisée

2.3.2.1 Architecture générale

La caméra qui équipe les quatre télescopes est le point fort de l’expérience, combinant une fine pixellisation et une électronique rapide. Elle a pour dimension 1.6 m de largeur et hauteur et 1.5 m de profondeur, pour une masse total de 900 kg. Cette taille lui permet de couvrir un champ de vue de 5 degrés. Elle comprend 960 pixels composés d’un photo-multiplicateur (PM) et d’un cône de Winston apposé en avant du PM. Ce cône permet d’une part de récupérer les photons dans l’espace séparant les PMs mais aussi de limiter le champ de vue du PM afin de réduire la pollution par les photons d’albédo du sol. Chaque pixel a de ce fait un champ de vue limité à 30 degrés. La surface du PM au plan focal du réflecteur correspond à un champ de vue de 0.16 degré. Les PMs sont rassemblés par 16 dans 60 tiroirs amovibles où est regroupée l’électronique rapide associée. La plaque de cônes de Winston et les tiroirs constituent la partie avant de la caméra (figure 2.9 gauche). En dehors de la prise de données, les PMs sont protégés par un capot. La partie arrière de la caméra contient une baie électronique où se situe l’unité centrale de la caméra et l’électronique de déclenchement local, en communication avec l’unité centrale de déclenchement nécessaire à la stéréoscopie.

2.3.2.2 Les photo-multiplicateurs (PM)

Chaque caméra est composée de 960 PMs de type Photonis XP2960 [44]. Leur diamètre est de 27.3 mm pour un diamètre de photo-cathode de 23 mm. La surface sensible est de 21 mm de diamètre avec une dispersion de l’ordre de 10-20 %. La figure 2.11 gauche représente l’efficacité quantique des PMs en fonction de la longueur d’onde. L’efficacité quantique du PM s’étend

de 250 nm à 650 nm avec un maximum à 27 % à 380 nm. Un gain nominal de 2× 105 est

appliqué afin de mettre en évidence le photo-électron unique. La figure 2.11 droite représente le signal moyen obtenue pour un photon-électron en sortie de PM. La courbe rouge pointillée est la paramétrisation qui est utilisée dans les simulations. Une fraction des photo-électrons, environ 15 %, n’atteignent pas la première dynode et sont collectées par les étages suivants, entraînant une amplification moindre.

Section 2.3 : Description de l’instrument 35

to optical axis [deg]

θ

Angular distance

0 0.5 1 1.5 2 2.5

Point spread function [mrad]

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 CT02/03 80% r radial σ tangential σ [deg] Θ Elevation 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Point spread function [mrad]

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 CT02/03 80% r azimuthal σ altitudinal σ

Fig.2.8 – Gauche : Evolution de la fonction d’étalement d’une source ponctuelle avec l’angle à

l’axe optique. La variable r_80% est le rayon incluant 80 % de l’image. σ_radial et σ_tangential sont les

σ de l’image par rapport à l’axe optique. Droite : Evolution de la fonction d’étalement d’une

source ponctuelle avec l’élévation. σ_azimuthal et σ_altitudinal sont les σ de l’image par rapport au

pointé du télescope.

2.3.2.3 Organisation générale de l’électronique

L’électronique des caméras de HESS est scindée en deux parties (figure 2.12). La première se situe dans la partie avant de la caméra, au sein des tiroirs. La seconde est constituée de la baie électronique située à l’arrière de la caméra. L’électronique de lecture associée aux PMs et celle gérant le déclenchement local du tiroir sont regroupées au sein de trois cartes dans chaque tiroir (le système de déclenchement de HESS sera présenté en détail plus tard). Deux cartes analogiques sont associées aux 16 PMs et comportent l’électronique de traitement du signal et du système de déclenchement local. Une carte dite de slow-control est responsable du contrôle du tiroir.

La baie électronique abrite le module de gestion de la caméra incluant le CPU (Central Process Unit). Celui-ci reçoit et transmet les données des différents tiroirs et assure le contrôle de l’ensemble des tiroirs et de la caméra dans son intégralité (températures, hautes tensions, courants, configuration des tiroirs ...). La baie inclut aussi le module de déclenchement de la caméra. Celui-ci contrôle les modules de déclenchements locaux des tiroirs et transmet le cas échéant un signal de déclenchement au système central.

2.3.2.4 L’électronique dans les tiroirs

Carte analogique

Les cartes analogiques contrôlent chacune 8 PMs. Le signal provenant des PMs suit trois voies. Deux voies servent à l’échantillonnage du signal. Deux gains différents sont appliqués. La voie dite de haut-gain couvre des intensités comprises entre 1 et 150 photo-électrons et permet d’être sensible au photo-électron unique, tandis que la voie dite de bas-gain permet de couvrir une gamme dynamique importante, entre 15 et 1600 photo-électrons. Après amplification, le signal est échantillonné. La puce ARS0, conçue pour l’expérience ANTARES [49] et utlisée dans

36 Chapitre 2 : L’expérience HESS

Fig. 2.9 – Gauche : Vue éclatée d’une des caméras de HESS. Droite : Photographie d’une des

caméras de HESS où on distingue l’emplacement de plusieurs tiroirs manquants et une partie des cônes de Winston disposés devant les faces des PM.

Fig. 2.10 – Gauche : Photographie d’un cône de Winston. Droite : Photographie d’un tiroir

contenant 16 PMs et l’électronique associée.

les caméras de HESS, permet d’échantillonner le signal de cinq voies différentielles à la fréquence de 1 GHz. Seules quatre voies sont utilisées par HESS et donc quatre puces sont utilisées par carte analogique. Le signal est échantillonné sur une mémoire circulaire de 128 cellules. Le signal est enregistré continûment, écrasant celui échantillonné 128 ns auparavant. Lorsqu’un signal de déclenchement intervient, le circuit échantillonne le signal sur 128-N d cellules

(128-N d ns à 1 GHz) et lit le signal dans une fenêtre de (128-N f cellules. Le délai (128-N d correspond

au temps nécessaire à la caméra pour construire un signal de déclenchement (environ 64 ns). Du fait de la bande passante réduite de l’ARS, 80 MHz, le signal Tcherenkov en sortie de PM, de l’ordre de 3 ns, est élargi à environ 10 ns. La fenêtre d’intégration utilisée a pour largeur N f = 16 ns et inclut 80 % du signal. Les échantillons sont ensuite numérisés par une convertisseur analogique numérique (ADC) et stockés dans un FPGA (Field-Programmable Gate Array). Deux modes sont possibles pour l’envoi des échantillons. Le FPGA peut, soit renvoyer l’ensemble des 16 charges (ce mode ne sert que pour l’étalonnage de l’électronique), soit renvoyer la charge intégrée sur les 16 cellules (mode utilisé lors de l’acquisition de données). La troisième voie suivie par le signal sur la carte analogique sert au déclenchement de la caméra. Le signal y subit la même amplification que la voie haut-gain. Le signal entre ensuite

Section 2.3 : Description de l’instrument 37 ns -5 0 5 10 15 20 25 mV