fi?" ' i:
"m »" K i l
Et.
i VI i ' i i
Qk'âiï
di
4'jJMr
r' J 7 ' < ' i
r ^
L. A. L. P N P P - H E L. E . I . N . O r s a y CRN et ULP S t r a s b o u r g Cuhr - Mulhouse
S U R V E I L L A N C E AUTOMATIQUE DU GAIN DES PHOTOMX L T I P L I C AT EL'RS
DANS UN FAISCEAU DE P A R T I C U L E S
O. CALLOT et J. M. MEYEB
Mai 1975
R é s u m é
Un d i s p o s i t i f de c o n t r ô l e a u t o m a t i q u e de gain a ett- ; I S S X Î L;
a un e n s e m b l e de 32 c o m p t e u r s à s c i n t i l l a t i o n s d e s t i n é s à m e s u r e r les p e r t e a a;é n e r g i e s d e s p a r t i c u l e s qui l e s t r a v e r s e n t . Suivant 3'i.-.icr.sité tin f a i s c e a u de p a r t i c u l e s , le gain des p h o t o m u L t i p l i c a t e u r s a présenti? d ' i m p o r t a n t e s v a r i a t i o n s . 1-e dispositif de c o n t r ô l e u t i l i s é a p e r m i s d ' é t u d i e r l ' é v o l u t i o n de c e s v a r i a t i o n s dans le t e m p s .
An automatic; gain s u r v e y has been p e r f o r m e d on 32 = i-intill.\tio:i c o u n t e r s .ised to m e a s u r e p a r t i c l e s e n e r g y l o s s . Depending or, the beam i n t e n s i t y , s i z a b l e v a r i a t i o n s in the p h o t o m u î t i p l i e r gain have bei?n m e a s u r e d T h e c o n t r o l s > s t e m allowed to study t h e s e v a r i a t i o n s a s a function of t i m f
1. INTRODUCTION
D a n s une e x p é r i e n c e r é a l i s é e s u r l e f a i s c e a u d ' h y p é r o n s du CERN ;. I j , nous avons m e s u r é l ' i m p u l s i o n d e s p r o t o n s de r e c u l en étudiant l e u r a r r ê t dans un e m p i l e m e n t de 8 s c i n t i l l a t e u r s . C e t t e i m p u l s i o n e s t d é t e r - m i n é e à p a r t i r du p a r c o u r s du r e c u l et de l ' é n e r g i e d é p o s é e dans le c o m p t e u r d ' a r r ë c . L ' e m p i l e m e n t de s c i n t i l l a t e u r s ayant 30 c m d ' é p a i s s e u r , le d i s p o s i - tif e s t c a p a b l e de m e s u r e r d e s i m p u l s i o n s e n t r e 250 et 650 M e V / c .
P o u r a v o i r une bonne r é s o l u t i o n s u r le c a l c u l de la m a s s e m a n - q u a n t e p r o d u i t e à l ' a v a n t , il est n é c e s s a i r e de c o n n a î t r e l ' i m p u l s i o n du r e c u l à +_ I 5 M e V / c p r è s . C e c i n é c e s s i t e la c o n n a i s s a n c e de l ' é n e r g i e d é p o s é e dans c h a q u e c o m p t e u r à +_ 1 5 ^ . D e s m e s u r e s de c a l i b r a t i o n effectuées dans un f a i s c e a u de p r o t o n s d ' é n e r g i e connue ont m o n t r é que c e s p e r f o r m a n c e s p o u - v a i e n t ê t r e a t t e i n t e s a condition de c o n t r ô l e r la s t a b i l i t é du gain des p h o t o - m u l t i p l i c a t e u r s et d e s ADC (L.RS 2248) a s s o c i é s à c h a q u e s c i n t i l l a t e u r .
C ' e s t d a n s c e but q u ' u n e diode é l e c t r o l u m i n e s c e n t e l'MCNSANTO MV5322) a été m o n t é e s u r chaque s c i n t i l l a t e u r en vue de s i m u l e r s u r c o m m a n d e le p a s s a g e d ' u n e p a r t i c u l e c h a r g é e à t r a v e r s l e s c i n t i l l a t e u r c o n c e r n é , 2 . , ; 3 j .
Un d i s p o s i t i f de t é l é c o m m a n d e de c e s d i o d e s a é t é m i s en ligne s u r l ' o r d i n a t e u r d ' a c q u i s i t i o n ( f i g . 1) et des p r o g r a m m e s de t e s t s s y s t é m a t i q u e s ont été é c r i t s en vue d'un c o n t r ô l e r a p i d e de l ' e n s e m b l e d e s 32 p h o t o m u l t i p l i c a - t e u r s et ADC a s s o c i é s au d é t e c t e u r .
C e s t e s t s ont é t é effectués à i n t e r v a l l e s r é g u l i e r s d u r a n t l e s m e s u r e s et leurB r é s u l t a t s ont été é c r i t s s u r bande m a g n é t i q u e . L ' e x p l o i t a t i o n de c e s m e s u r e s a p e r m i s de m e t t r e en é v i d e n c e d ' i m p o r t a n t e s v a r i a t i o n s de g a i n s , l i é e s s o i t à l ' i n t e n s i t é du f a i s c e a u , s o i t à d e s p a r a m è t r e s p r o p r e s aux p h o t o m u l t i p l i c a t e u r s .
- 2 -
2. LES PROGRAMMES DE TEST
Les programmes de tests attachés à cet ensemble de détecteurs ont pour but de faciliter leur mise au point et de contrôler leur stabilité dans le temps. Pour ce faire, l'ordinateur a accès aux informations suivantes :
- valeurs des tensions d'alimentations des photomultiplicateurs - réponse de chaque photomultiplicateur (P. M. ) à l'excitation de la diode
électro-luminescente qui lui est associée.
- amplitude de l'impulsion d'excitation des diodes électroluminescentes délivrée par le générateur.
Ceci permet donc d'étudier la corrélation entre la réponse du photomultiplicateur, sa tension d'alimentation et l'amplitude du signal d'exci- tation de la diode électroluminescente associée.
Tests de mise au point
L'opérateur peut étudier un élément particulier (PM, ADC, alimentation) et en ajuster les paramètres pour que la réponse de la chaîne soit conforme à une norme.
Cette norme a été établie lors de la calibration du détecteur dans un faisceau de protons d'énergie connue. Lors de cette calibration, les tensions d'alimentation des PM ont été fixées de façon à ce qu'ils donnent tous la même réponse pour une même énergie donnée déposée dans chaque scintil- lateur . D'autre part, les courbes de calibration "énergie
déposée, réponBe du PM" ont été établies. Afin de conserver ces calibrations, les signaux d'excitation deB diodes ont été ajustés pour simuler une perte d'énergie de 50 MeV, ce qui correspond à peu près au milieu de la gamme dynamique étudiée.
Lors d'une mise au point, l'opérateur contrôle la valeur de la tension d'alimentation, l'amplitude du signal d'excitation et la réponse du PM (valeur moyenne de la distribution et largeur à mi-hauteur).
- 2 -
2. LES PROGRAMMES DE TEST
Les programmes de tests attachés à cet ensemble de détecteurs ont pour but de faciliter leur mise au point et de contrôler leur stabilité dans le temps. Pour ce faire, l'ordinateur a accès aux informations suivantes :
- valeurs des tensions d'alimentations des photomultiplicateurs - réponse de chaque photomultiplicateur (P. M. ) à l'excitation de la diode
électro-luminescente qui lui est associée.
- amplitude de l'impulsion d'excitation des diodes électroluminescentes délivrée par le générateur.
Ceci permet donc d'étudier la corrélation entre la réponse du photomultiplicateur, sa tension d'alimentation et l'amplitude du signal d'exci- tation de la diode elect rolumini se ente associée.
Tests de mise au point
L'opérateur peut étudier un élément particulier (PM, ADC, alimentation) et en ajuster les paramètres pour que la réponse de la chaîne soit conforme à une norme.
Cette norme a été établie lors de la calibration du détecteur dans un faisceau de protons d'énergie connue. Lors de cette calibration, les tensions d'alimentation des PM ont été fixées de façon à ce qu'ils donnent tous la même réponse pour une même énergie donnée déposée dana chaque scintil- lateur . D'autre part, les courbes de calibration "énergie
déposée, réponse du PM" ont été établies. Afin de conserver ces calibrations, le* signaux d'excitation des diodes ont été ajustés pour simuler une perte d'énergie de 50 MeV, ce qui correspond à peu près au milieu de la gamme dynamique étudiée.
Lors d'une mise au point, l'opérateur contrôle la valeur de la tension d'alimentation, l'amplitude du signal d'excitation et la réponse du PM (valeur moyenne de la distribution et largeur à mi-hauteur).
Tests automatiques
- Une première option, utilisée en dehors des périodes de prises de données, permet le test automatique de tous les canaux à intervalles réguliers. Ceci nous a permis d'étudier :
fi} la stabilité du dispositif dans le temps et d'éliminer certains PM qui avaient des réponses par trop aléatoires ou des micro-claquages
fii) les effets liés à l'intensité du faisceau lorsque l'appareilla- ge recevait le faisceau de façon très irrégulière {périodes de démarrage du PS)
- Une deuxième option, utilisée régulièrement durant la prise de données, réalise un test automatique de tous les canaux dont les résultats r ont écrits sur bande magnétique. Les paramètres ou les résultait, de mesures "hors norme" Bont signalés à l'attention de l'opérateur. Ce test dure 2 minutes et l'opérateur a la possibilité de passer en test de mise au point en cas d'incident.
3. RESULTATS
Les 32 PM étudiés Bont des 56 AVP, alimentés sous une haute tension de 1850 à 2300 V suivant les PM, La tension des 3 dernières dynodes est maintenue fixe par une chaîne de diodes Zener alimentées sous - 800 V (le boîtier de répartition de tension est un boîtier CERN, type 4221). Le courant moyen sur l'anode durant le burst est d'environ 1 mA. correspon- dant à un taux de.comptage d'environ 10 /300 ms. On effectue, lors de la prise de données, une mesure de gain toutes les 3 heures environ, durant 3 semaines. Nous modifions la tension du PM lorsque le gain s'écarte de plus de 10 °/a de la valeur normale, ce qui arrive pour plusieurs PM à chaque période. Cependant, pour la plupart des PM, les variations de gain ne dépas- sent pas £ 5 $ , sauf circonstances anormales. Nous disposons, lors de l'analyse des données, d'une autre métbode de mesure du gain basée sur les
r e l a t i o n s p a r c o u r s - é n e r g i e : On s a i t c a l c u l e r l ' é n e r g i e que doit d é p o » e r le p r o t o n dans chacun d e s c o m p t e u r s q u ' i l t r a v e r s e . E n c o m p a r a n t l ' é n e r g i e o b s e r v é e à c e t t e é n e r g i e c a l c u l é e , on m e s u r e le gain de la chaîne de m e s u r e avec une p r é c i s i o n de 3 à 4 %, Les deux m e s u r e s dont on d i s p o s e s o n t en a c c o r d à c o u r t t e r m e , m a i s il a p p a r a î t d e s d é r i v e s de 1 à 3 % p a r s e m a i n e . C e s d é r i v e s s o n t p r o b a b l e m e n t d u e s au c h a n g e m e n t de c a r a c t é r i s t i q u e s d e s d i o d e s . Les " c i r c o n s t a n c e s a n o r m a l e s " é v o q u é e s p l u s haut ont été é t u d i é e s en effectuant une m e s u r e t o u t e s l e s m i n u t e s et d e m i c e qui p e r m e t d e s u i v r e des v a r i a t i o n s r a p i d e s .
a) La figure 2 m o n t r a le r é s u l t a t d ' u n e m e s u r e r é a l i s é e en d e h o r s des p é r i o d e s de f a i s c e a u . On n ' a t r a c é q u ' u n point p a r l / 2 h e u r e , v a l e u r moyenne des 17 m e s u r e s f a i t e s d u r a n t ce t e m p s . L a c o u r h e 2 - a m o n t r e une d é r i v e de 1 # en 40 h e u r e s , r é s u l t a t que l'on o b s e r v e p o u r l a p l u - p a r t des P M . La c o u r b e 2 - b m o n t r e un c o m p o r t e m e n t a n o r m a l , o b s e r v é pour 4 P M , que l'on i n t e r p r è t e c o m m e étant du à d e s m i c r o c l a q u a g e B modifiant l e gain du P M , qui r e v i e n t à s a v a l e u r n o r m a l e a v e c une c o n s t a n t e de t e m p s de l ' o r d r e d ' u n e d e m i - h e u r e . La r e l a t i v e r a r e t é de c e s c l a q u a g e s r e n d i m p o s s i b l e l e u r l o c a l i s a t i o n e t p a r l à m ê m e l e u r g u é r i s o n .
b) L'effet le plus gênant e s t l a v a r i a t i o n du gain l o r s d'un c h a n g e m e n t de l ' i n t e n s i t é m o y e n n e du f a i s c e a u de p a r t i c u l e s d a n s la zone e x p é r i m e n t a - l e . La f i g u r e 3 m o n t r e l ' é v o l u t i o n du gain d e 3 P M , a s s e z r e p r é s e n t a t i f des 32 é t u d i é s , l o r s q u ' o n a r r ê t e l e f a i s c e a u de p a r t i c u l e s . On o b s e r v e une v a r i a t i o n de gain allant de + 3 # à - 3 5 # s u i v a n t l e s P M . C e t t e v a r i a t i o n s e f a i s a n t a p p r o x i m a t i v e m e n t s u i v a n t une loi du type :
ÛG = A ( 1 - e "t/ri ) + B (1 - e "t / / r2 ) a v e c T j ~ 3 ' , T ~ 3 0 ' , l e s v a l e u r s de A et B dépendent du P M , a i n s i q u e du c h a n g e m e n t d ' i n t e n s i t é m o y e n n e . L o r s d ' u n e a u g m e n t a t i o n de l ' i n t e n s i t é m o y e n n e , il s e m b l e que la v a c a t i o n ùu gain s e f a s s e de façon b e a u c o u p p l u s r a p i d e , m a ï s il n ' a p a s été p o s s i b l e de r é a l i s e r d e s m e s u r e s p r o p r e s
Légende des Figures
Fig. I : Schéma de principe du dispositif de simulation Fig. 2 : Mesure de stabilité du gain (hors faisceau) Fig. 3 : Variation du gain lors d'un arrêt de faisceau
Fig. 4 : Variation du gain en fonction de la haute tension appliquée aux photom ultiplic at eur s
Fig. 5 : Variation du gain die à une surintensité momentanée du fai'sceau.
R é f é r e n c e s
J. J. BLAISING, Y. C H A T E L U S , R . M O R A N D , A. NAVARRO-SAVOY, J. BADIER, A . R O M A N A , H. VIDEAU, J. M. VIDEAU, O. C A L L O T , J. C H O L L E T , J. L E F R A N C O I S , B. M E R K E L , G.SAUVAGE s u b m i t t e d t o P h y s i c s L e t t . A v r i l 1975
P h . BERNAUDIN, R. BOSSHARD, J. C. DELACHOUX, C. Z A D J E , L A L - O r s a y r a p p o r t i n t e r n e - a v r i l 1969
P h . BERNAUDIN, R. BOSSHARD et C. Z A J D E - N u c l . I n s t r . and Meth. 73 (1969) 157
L . M A L T E R , P h y s . R e v . 5_0, 4 8 ( 1 9 3 6 )
I . C A N T A R E L L , I E E E T r a n s a c t i o n s , N S - 1 1 , No J p. 152-159 C. E . C O H N , I E E E T r a n s a c t i o n s , N S - 2 1 , No 1, p. 146-150
AG7c
5-1
0
—i 1 1 1 10h 20h 30h 40h t
10- 5-
0 -
• • • • • • • • • • • • •, , , , 0 40h 20h 30h 40h t
F i g u r e I : S i a b i l i t é du gain «.n fum-lion du t e m p s (hors faisccitu).
AG %
5 - 0 -
• • ••
• • • • • • • » • •
• • •• •• *
- 5 -
i i
0 3 0 '
i
1h 1h30' t 0 -
- 5 -
» 0 -
- 5 - • •• «
• • • « • b
1 0 - • • * • • " • • • • . . .
•15-
I I
0 30'
I
1h
i
1h30' t 0 - •••••-
••*•
- 5 -
-10-
1 5 -
•
c 2 0 -
2 5 -
•..
• • • ••
i i
0 3 0 '
i
1h 1h 30' t
Figure 3 : Variation du gain lors d'un arrêt du faisceau.
AG%
4 0 -
30- * *
• • •
2 0 - * . . . .
• • • 10-|
— i 1 1
2100 2200 2300 HT(V)
igure 4 : Variation du Kain en fonction de la Name Tension appliqué.- aux I'bolomult iplirateu t s I I
1900 2000
ÛG%
-i 1 1 1 1 1 1 1 0 1h 2h 3h 4h 5h 6h 7h t Figure 5 : Variation du gain due à une surintensité momentanée du faisceau.
