Circuits de commande d'une chambre à étincelles

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Circuits de commande d’une chambre à étincelles

P. Autonès, J. Poinsignon, J. Rousseau, J. Teiger

To cite this version:

147 A.

CIRCUITS DE COMMANDE D’UNE CHAMBRE A ÉTINCELLES

Par P.

_AUTONÈS,

J.

_POINSIGNON,

J. ROUSSEAU et J. TEIGER

_(1),

Laboratoire de _{Physique Corpusculaire} à Haute

_Énergie,

Centre d’Études Nucléaires de _Saclay.

Résumé. 2014 Nous décrivons les circuits de commande

_{électronique}

d’une chambre à étincelles co mprenant :

a) Un générateur

d’impulsions

de haute tension qui utilise des thyratrons 5C22. Un circuit de temps mort définit l’intervalle minimum entre deux déclenchements de la chambre.

b) Des circuits annexes de commande de la caméra et _{d’enregistrement} des constantes _(numéro de la _{photographie,} nombre de _{particules, etc...) présentées} sous forme de chiffres lumineux. Ils

permettent également l’illumination d’un quadrillage de référence _placé devant la chambre. Les circuits sont commandés par un _{signal porte synchronisé} avec l’accélérateur.

Abstract. 2014 We describe the electronic _triggering circuits for a

_spark

chamber which

_{comprise :}

a) A _{high voltage}

_pulse

_generator which uses 5C22 _thyratrons. A dead-time circuit deter-mines the minimum time between two _firings of the chamber.

b) Auxiliary triggering circuits for the camera and the recording of the indicative data

_(frame

number, number of

_particles,

_{etc...) presented} as luminous figures. This _permits the simultaneous illumination of a référence _{grid placed} in front of the chamber. The circuits are _triggered

_by

a

gate

signal synchronized

with the accelerator.

LE JOURNAL DE PHYSIQUE

PHYSIQUE APPLIQUÉE TOME _~4, OCTOBRE _1963,

Introduction. -- Nous allons décrire dans cet article les circuits

_{électroniques}

associés à une

chambre à étincelles

_[1].

Cette chambre à étincelles

est destiné à la mesure de la

polarisation

des

pro-tons dans la diffusion

_élastique

~~ _p,

_auprès

de Saturne. Elle a les dimensions suivantes : -.

80 cm X 60 cm X 60 _{cm ;} elle

_{comporte quatre}

plaques

d’aluminium et

_vingt

_sept

_plaques

de

car-bone distantes l’une de l’autre de un

centimètre ;

sa

capacité

totale est de

_0,01

microf arad. Nous

dési-rons obtenir

cinq

déclenchements en _{moyenne par}

cycle

de machine sans _que, entre les divers

déclen-chements,

la haute tension alimentant la chambre varie de

_plus

de 5

_%.

Nous avons

_adopté

_{pour la}

commande de cette chambre trois

_thyratrons

_type

5C22.

Les circuits

_{électroniques}

associés à la chambre

comprennent :

1)

Le

_générateur

_{d’impulsions}

de haute tension.

-Les

_impulsions

de haute tension alimentant la chambre sont

_engendrées

_{par des}

_{thyratrons [2].}

Le passage des

particules

à étudier est _{détecté par}

un ensemble de

_compteurs

_qui

fournissent un

signal

d’environ 5 V. Ce

_signal

_permet

le bascu-lement d’un tube à émission secondaire

_(EFP60)

dont la

_plaque

est

_portée

à une tension de 1 500 V.

Il fournit des

_impulsions

de 800 V destinées à la commande des

_thyratrons.

Les

_impulsions

inci-dentes sont transmises à l’EFP60 à travers un

circuit «

_{porte ?>}

commandé en

_synchronisme

avec

le bombardement de la cible _{par les}

_protons.

D’autre

_part

on

impose

à l’EFP60 un

_temps

mort

permettant

aux ions résiduels des étincelles de la

(1) Chargé de recherches au C. N. R. _S., détaché du Laboratoire de _Physique

_{Corpusculaire}

de Caen.

dernière trace d’être

_balayés

avant tout nouveau

déclenchement.

2)

Le circuit de mise sous tension de la chambre à

étincelles. - Il f aut

appliquer l’impulsion

à la chambre le

_{plus rapidement possible après}

_le pas-sage de la

particule

que l’on veut détecter. La mémoire de la trace étant

_{de 1/2}

_{à 1 [Ls, il} est

néces-saire de réduire au minimum le

_temps

qui

s’écoule

entre _{le passage de} la

_particule

et le déclenchement.

D’après

Cronin

_[3]

le

_champ

_électrique

faible

appli-qué

aux

_plaques

de la chambre

produit

un

dépla-cement des

_électrons,

ce

_déplacement

est propor-tionnel au

_temps,

donc pour la

_précision

de la

loca-lisation de la

_particule

on doit

_appliquer

la haute

tension le

_plus

_rapidement

_possible

et le

_temps

de montée de

_{l’impulsion}

doit être court.

_{L’application}

de cette tension doit se faire moins de 250 ns

après

le passage de la

_particule.

Ce résultat est obtenu _par des

_thyratrons

à

_hydrogène

déclenchés par une

_impulsion

du

_générateur

haute

_tension,

appliquée

sur la

_grille.

L’anode des

_thyratrons

est

reliée à la _{chambre par l’intermédiaire de}

_capacités

et de ré’sistances

_qui

définissent la durée de

l’im-pulsion.

3)

Le circuit ct _programme ». - Pour obtenir la

photographie

des traces et des _marques

_fiduciaires,

ainsi que divers autres

_{renseignements,}

nous

de-vions réaliser les

_opérations

suivantes : ’

a)

affichage

des informations de

_{comptage ;}

b)

éclairage

des marques

fiduciaires ;

c)

remise à zéro des

_{échelles ;}

₃

d)

avance de la caméra

_après

la

suppression

de

l’envoi de l’air

_comprimé

sur le presse film.

Ces diverses fonctions sont _{obtenues par} un

pro-gramme

électromécanique,

insensible aux

148 A

sites. Un ensemble « arbre à cames,

_minirupteurs

»

réalise la

_séquence.

Générateur

_{d’impulsions}

de haute tension

et

_2).

- Le circuit d’entrée est décrit

sur la

_figure

1.

FIG. 1. - Circuit d’entrée,

amplificateur plus

porte.

FIG. 2. - Générateur

d’impulsions

de haute tension. Trigger EFP 60.

Le tube

_{V1 (E180F) amplifie l’impulsion}

_signalant

le _passage de la

_{particule ;}

les tubes

V 2 (à

_E88CC)

et

_V3

_(EL83)

constituent la «

_porte

_{», et}

l’impulsion

est transmise _par le tube

V4 G

_E88CC).

L’ampli-tude sur la cathode de

V4

est d’environ 8 V et le résidu en l’absence d’un

_signal

«

_{porte »}

_est de

1,2 V.

Le circuit de

_{déclenchement (fig.}

₂₎

_comporte

un

tube EFP60 dont l’anode est

_portée

à une tension

réglable

entre 1 500 V et 2 000 V

_[2],

il délivre sur sa

_dynode

un

signal

d’environ 800 V. La sensibilité

de ce circuit

_peut

être

_réglée

_{par la} variation de la tension d’écran et de la tension de cathode.

Le

_temps

mort est obtenu de la

_façon

suivante :

une tension de

_blocage

donnée par un monostable

déclenché _par la

_lampe

à émission secondaire est

appliquée

sur la

_grille

de cette dernière. Le

_temps

de basculement du monostable

_peut

être

_réglé

entre 4 ms et 50 _ms,

_{l’amplitude}

de la tension étant de 30 V. Cette gamme de

temps

mort s’obtient

par

paliers

à l’aide de

CI, C2,

C31

C4

et le

_réglage

fin à l’aide d’un

_hélipot

de 50 kS2

_(fig.

_3).

FIG. 3. - Circuits de

temps mort et de _réinjection variable: 50, 30, 15, 5 ms.

Pour accélérer le retour à l’état initial du

mono-stable un cathode follower est

placé

en série dans

le circuit des

_capacités

_{Cl, C2, C3, C4.}

Le cathode follower constitue une source de courant intense

qui

permet

le retour à l’état initial du monostable

en un

_temps

_{proportionnel}

à 1

_R

_Ci

_s

étant la

_pente

de la triode la résistance interne de la diode

₅₇₂₆₎

au lieu d’un

_temps

proportionnel

à

₍₂₇

K

_-~-

330

_K)

Ci.

Avec ce

circuit,

on

_peut

donc

avoir un déclenchement à moins de 1 ms

_après

le

passage de

l’impulsion.

Afin de

_pouvoir

mesurer le

_temps

mis par les

reliquats

de l’étincelle _pour

_{disparaître,}

on

réinjecte

un

_{signal qui}

_provoque un second déclenchement

de la chambre

_après

un

_temps

déterminé. Ce second

déclenchement est obtenu à l’aide d’un monostable

identique

à celui du

_temps

mort. Le front arrière du

_{signal rectangulaire}

est

_dérivé,

inversé et

amplifié,

et _{par le}

_cathodyne

V transmis à la

grille

de

_3).

Montage

pratique

des

thyratrons

de déclen-chement de la chambre. - La chambre à étincelles utilise _pour son fonctionnement trois

_thyratrons

5C22. Le

_premier

_thyratron

est monté sur les

plaques

minces

_{d’aluminium,}

le deuxième et le troisième

_thyratron

se

_partagent

les

_plaques

de

carbone. Une étude des

_thyratrons

sera faite en

appendice,

pour le

montage

voir

_figure

4 et 5. Nous devons

_charger

une

capacité

C

qui

est

constituée par l’ensemble des

capacités

montées

sur les

plaques

de la chambre et _que commande un

thyratron,

sa valeur est d’environ

0,04

microfarad.

Par ailleurs la

_capacité

de la

_partie

de la chambre commandée _par un

_thyratron,

soit treize

_plaques

est de c =

0,006

microfarad.

Compte

tenu du

la chambre mesuré à

_{l’oscillographe,}

nous _pouvons

déduire l’intensité du courant

_qui

_{passe dans la}

chambre :

avec un front de montée de 25 ns, une tension de

10

_kV,

I est

_égale

à 2 100 A.

FIG. 4 et 5. - Circuit de mise _sous tension de la chambre à étincelles.

Pour alimenter

_cinq

déclenchements sans

varia-tion de la haute tension au delà de 5

_%,

la

_capacité

réservoir doit avoir la valeur minimum

Cn

= 20 _X 5 _x 15 _X C = 9 microfarads.

Pour éviter le

_rayonnement

de

_{l’impulsion,}

nous

avons réduit au maximum la

_longueur

des

con-nexions. Les

_thyratrons

sont montés dans une

housse en cuivre

_qui

les entoure

_{complètement,}

ce

qui

donne de bons résultats en ce

qui

concerne

l’antiparasitage.

Il faut noter _{que dans le}

_type

de

montage

de la

_figure

5 il est nécessaire de choisir les

thyratrons

de manière à ce

_qu’ils

aient sensiblement

le même

_temps

de déclenchement. Si nous ne

prenons pas cette

précaution,

nous

_risquons

d’avoir

des

_décalages

des étincelles

_puisque

les

_thyratrons

commandent des

_parties

différentes de la chambre. Pour s’affranchir de cet

_{inconvénient,}

on

_peut

adopter

un autre

_montage.

On relie les

_plaques

entre _{elles par} une même

connexion,

l’ensemble de

la chambre est alors monté aux bornes de ces trois

thyratrons.

L’impulsion

de déclenchement est

appli-quée

sur la

_grille

d’un seul

_thyratron,

les autres

grilles

étant reliées à la masse _par l’intermédiaire

d’une résistance. Les essais montrent _{que dans} ce

cas les

_thyratrons

déclenchent simultanément avec

des écarts inférieurs à 5 ns.

Circuit _{de commande du programme.} - Si

un

déclenchement a eu lieu

pendant

la durée de la

porte,

la fin de la

_porte,

comme nous l’avons vu, fait démarrer un _{programme. Ce programme}

con-siste en la

_séquence

suivante

_{(fig. 6) :}

1) affichage

des

_{répétiteurs}

des échelles

(nous

enregistrons

le nombre de n

incidents,

le nombre

de 1t

_diffusés,

le numéro du

_film,

le numéro de la

photographie) ;

2) éclairage

des marques

fiduciaire

3)

remise à zéro des

_{échelles ;}

4)

avance de la caméra.

FIG. 6. -

Représentation de la séquence du programme. La réalisation de ce _programme se fait de la

façon

suivante

_{( fig. 7,}

_{8, 9).}

Il est

_inutile,

si un

événement _{n’a pas} eu

_lieu,

de déclencher le

pro-gramme. Dans le cas contraire le

premier

déclen-chement fait

_changer

d’état une bascule

_qui

res-tera dans son nouvel état

_jusqu’à

l’instant de la

fin de la

_porte

où elle est alors ramenée à son état

initial. La dérivation du

_signal

de fin de

_porte

est transmise en coïncidence avec le

_signal

de la

bas-cule,

la coïncidence étant _{réalisée par} un ensemble

150 A

FIG. 7. - Circuit de

logique. Programme. Durée _signal de sortie : t = _{f (C, R).}

FIG. 8. - Circuits de déclenchement des échelles pas à pas et de démarrage programme caméra. A) Signal

caméra venant du circuit de _{logique. B) Impulsion}

tem-porisée tg. Programme caméra. _C) Vers _{échelle pas} à _pas.

FIG. 9. -

Diagramme général des divers circuits.

(durée

200

_>s)

_qui

est transmis au circuit de la

figure

8.

Ce

_signal

_attaque

un

flip-flop

qui

a _{pour but}

d’augmenter

la durée et

_{l’amplitude}

du

_signal

afin de

_pouvoir

amorcer l’action de

_{l’embrayage}

du

moteur

_qui

entraîne l’arbre à cames.

_{L’embrayage}

est ensuite auto-alimenté

_jusqu’à

la fin du

_cycle

par la came numéro 1.

L’ensemble moteur est constitué d’un

micro-moteur avec réducteur faisant un tour en deux

secondes,

d’un

_{embrayage électromagnétique}

et d’un arbre entraînant six cames

_qui

actionnent les

minirupteurs :

la came no 1 sert à l’autoalimen-tation de

_{l’embrayage magnétique ;}

la came no 2

sert à

_{l’affichage}

des

_{échelles ;}

la came no 3 sert à

l’éclairage

des _marques

_{fiduciaires ;}

la came no 4

sert à la remise à zéro des

_{échelles ;}

la came no 5

sert au

_démarrage

de la

_{caméra ;}

la came no 6 sert

au

comptage

du nombre de

_cycles

réalisés

_(voir

ci-dessous).

Les circuits auxiliaires.

_{- 1)}

LES MARQUES

FIDU-CIAIRES. - Il

s’agit

d’éclairer par la tranche des cadres en

plexiglass

_portant

les marques fiduciaires

par des

ampoules (6,3

V -

0,1

A).

Le

temps

d’éclairement est

_réglé

_{par la} came no _{3 du} pro-gramme.

2)

LES NIXIES. - Les

nombres que nous voulons

enregistrer

sur

_{chaque photo}

sont inscrits sur des

tubes à

_affichage

lumineux

_(nixies

Dario

_Z520M)

situés sur le bord de la chambre à étincelles sur

une même rampe. Le numéro du film est sélec-tionné par une série de contacteurs. Le numéro de la

_photo

est _{réalisé par des relais rotatifs affectés}

respectivement

aux

unités,

aux

dizaines,

aux

cen-taines,

aux milliers. Le relai avance d’une unité

chaque

fois

_{qu’il reçoit}

une

impulsion

de la came

no 5. Les 7t incidents sont

_comptés

_par une échelle

utilisant un

_affichage

_{par nixies. Les nixies situés}

dans la chambre sont connectés en

_parallèle

sur les

nixies _{de l’échelle par} un ensemble de relais

minia-tures _{commandés par} une bobine

_unique.

Ces relais

étant ouverts

_pendant

la durée du déclenchement de la

_chambre,

aucun

_parasite

n’est transmis à

l’échelle. Nous _{n’avons pas réussi à éliminer}

tota-lement les

_parasites

_{transmis par les circuits de}

coïncidence,

mais ces derniers ne sont _pas

_gênants

car ils ne

_peuvent

créer un nouveau déclenchement

de la chambre et le nombre d’unités

_{enregistrées}

par l’échelle des n incidents est

_négligeable

_par

rapport

au nombre de

_particules

_{incidentes du} fais-ceau

₍₂₀

000 à 30

_000).

Les échelles servant au

_comptage

des

_particules

diffusées ont _reçu un

_temps

de résolution

_supérieur

à la durée des

_parasites

et _y sont donc insensibles.

3)

Le

_démarrage

de la caméra ne se fait

_qu’après

l’arrêt de l’envoi de l’air

_comprimé

sur le film par

électrovanne. Son

_embrayage

est _{auto-alimenté par}

un

minirupteur

commandé par une came

_qui

ne

coupe le contact que

lorsque

le film est en bonne

position.

Conclusion. - Cet

appareillage

fonctionne rai-sonnablement bien

_{depuis plusieurs}

mois et nous a

A

Appendice :

Le

thyratron

à

_{hydrog ène}

_[4].

L’emploi

d’un

_thyratron

_{pour le déclenchement} d’une chambre à étincelles semble aller de soi. Le

thyratron

à un faible volume et il

_peut

être dé-clenché d’une

_façon

_précise

_par une

_impulsion

de

faible

_{voltage appliquée}

sur la

_grille.

Le

_thyratron

a une efficacité de fonctionnement de 100

%

et on

peut

faire varier la tension sur l’anode dans de très

larges

limites

₍₂

à 16

_kV)

ce

_qui

est très

_avantageux

pour trouver la tension

optima

de fonctionnement de la chambre à étincelles. Le

_thyratron

à

hydro-gène

permet

d’obtenir des

_impulsions

de courant très élevées sans destruction

_rapide

de la

_cathode,

ce

_qui

assure une

_longue

durée de vie.

_{L’hydrogène}

étant un très bon isolant

électrique

nous _pouvons

appliquer

des tensions élevées de l’ordre de 12 à

15 kV sans _amorçage,

_malgré

la faible distance entre l’anode et la cathode. Enfin un autre

avan-tage

du

_thyratron

à

_hydrogène

est

_qu’il

_permet

d’obtenir un

_temps

de déionisation court.

Le

_thyratron

à

_hydrogène

_type

_{5C22 que} nous

avons

_employé

est un tube à

_{caractéristique}

posi-tive de

_grille.

_{En effet pour} amorcer ce

_thyratron

il est nécessaire de rendre la

_{grille positive}

_par

rapport

à _{la cathode pour que} se

produise

un

amor-çage entre ces deux

électrodes,

ce n’est

_qu’ensuite

que le

thyratron

s’amorce entre l’anode et la cathode. Cela

_{présente l’avantage}

de

_simplifier

le circuit de

_{déclenchement,}

_{il n’est pas nécessaire de}

prévoir

une

polarisation

négative

de

grille.

Résultats des essais de fonctionnement des

thy-ratrons

_type

5C22. - Nous

avons d’abord

_essayé

de voir

_quel

était le

_temps

_{d’amorçage}

d’un

thyra-tron et de mesurer ses variations au cours du

temps.

Nous avons

adopté

le

_montage

_simple

de la

figure

10. ’

FIG. 10. -

Montage

expérimental

pour l’essai des thyratrons.

Nous

_disposons

d’une haute tension

_appliquée

à l’anode du tube à travers une résistance de 50 kS~. Cette haute tension

_peut

varier de 0 à 15 kV.

Les

_impulsions

de déclenchement

_appliquées

sur la

grille

du tube sont obtenues à l’aide d’un

géné-rateur à mercure. Les

amplitudes

de ces

_impulsions

peuvent

varier de 0 à 1 500 V et la

_largeur

uniforme de ces

impulsions

est _{de 1 ~s.}

Quant

à la

_capacité

_C,

_pour ces essais de

déclen-chement,

elle a été

_{prise égale}

à 2 000

_pF.

Avec une haute tension de 3 000

V,

une tension de

déclenchement sur la

_grille

de 350

_V,

la valeur

moyenne du

temps

d’ionisation,

c’est-à-dire

l’inter-valle de

_temps

_qui

s’écoule entre le front de montée de

_{l’impulsion}

sur la

_grille

et le front de montée de

l’impulsion apparaissant

sur

_l’anode,

ce

_temps

est de 200 ns en _moyenne, et ceci _pour 20 tubes

quel-conques que nous avons testés. Pour ces

_tubes,

le

plus

mauvais déclenchait en _{275 ns, le} meilleur en

130 ns. Pour cet essai nous avions

_pris

soin de laisser chauffer

_{chaque thyratron}

au moins 15 _mn,

ceci a une très grosse

_importance,

comme nous le verrons _{par la suite.}

L’observation de

_{l’impulsion}

du

_thyratron

est faite à

_{l’oscillographe}

en

_attaquant

les

plaques

directes de ce dernier. On utilise une sonde

com-pensée

et blindée. Il faut

_prendre

le soin de

_placer

l’oscillographe

assez loin des

_thyratrons,

car au

moment _{du déclenchement il y} a un

_rayonnement

intense

_qui

_perturbe

la vision correcte du

_signal.

Si

_maintenant,

en

gardant

le même

_montage,

nous _{essayons de voir la variation du}

_temps

d’ioni-sation en fonction de la tension de

chauffage,

nous

constatons une variation assez brutale

(flg. 11).

Fie. 11. - Courbe du retard au déclenchement du

thyra-tron en fonction de la tension de chauffage.

Cela

_entraîne,

_lorsque

le

_thyratron

est _{utilisé pour} déclencher une chambre à

étincelles,

la nécessité de

surveiller la tension de

_chauffage

afin d’éviter les eff ets de la variation du secteur.

Puis en revenant à un

_chauffage

normal du

_tube,

c’est-à-dire

_{6,5 V,}

nous avons

_essayé

de voir l’effet

de

_{l’amplitude}

de la tension

_appliquée

sur la

_grille.

Pour un

_{thyratron déterminé,}

mais les eff ets varient _peu d’un tube à

_l’autre,

nous constatons un

152 A

temps

d’ionisation varie suivant la courbe de la

figure

12.

FIG. 12. - Courbe du retard _au déclenchement du

thyra-tron en fonction de _{l’amplitude} de _{l’impulsion} sur la

grille.

Nous _pourrons à la suite de ces essais faire les

remarques suivantes :

1)

Dans de mêmes conditions de

fonction-nement,

les écarts du

_temps

d’ionisation

des divers tubes sont assez

_grands.

2)

Pour un tube

_donné,

le

_temps

d’ionisation est

très

_{stable ;}

même

_après

_plusieurs

milliers de

dé-clenchements le

_temps

d’ionisation ne varie _pas

plus

de 2 à 3 ns.

3)

Le

_temps

d’ionisation est très sensible à la tension de

_{chauff age.}

4)

Le

_temps

de déclenchement

_dépend

_{peu de la} haute tension

_appliquée

sur

_l’anode,

ceci à

_partir

de 3 kV.

5)

En fonction de

_{l’amplitude}

de

_{l’impulsion}

appliquée

sur la

_grille,

à

_partir

de 400 V _{il y} a _peu

de variations du

_temps

d’ionisation du

_thyratron.

6)

Le

_thyratron

déclenche mieux avec une

impulsion

ayant

un front de montée

rapide

qu’avec

une

impulsion

de même

_amplitude

mais dont le

front de montée est moins bon. C’était le cas _pour nos essais où le front de montée de

_{l’impulsion}

appliquée

sur la

grille

était de l’ordre de 1 ns. Nous n’avons pas fait d’étude

systématique

de ce

phéno-mène.

Remerciements. ~--- Nous désirons

exprimer

notre reconnaissance à M. ~V alladas du Laboratoire de

Physique Corpusculaire

à Haute

_Énergie

de

_Saclay

pour ses

_suggestions

et ses

_{encouragements.}

Manuscrit reçu le 25 février 1963.

BIBLIOGRAPHIE

[1] AUTONÈS

_{(P.) et al., A paraître dans Nuclear Instruments}

and Methods.

[2] ROBERTS (A.) et _{al., Proceedings} of the

_symposium

on

spark

chambers. Rev. Scient. Instr., 1961, 32.

[3] CRONIN _{(J. W.)} et RENNINGER

_(G.),

Princeton Univer-sity, Technical

_Report,

1960.