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PMTs

Tubes photomultiplicateurs hémisphériques

 

Le défi des expériences sur les neutrinos et les astroparticules :

une détection précise de bas niveau de lumière à faible coût

Les grands tubes photomultiplicateurs (PMT) sont utilisés dans les expériences d’astroparticules et de neutrinos. Le niveau de lumière et le taux d’événements sont si bas que l’efficacité de détection, les taux de bruit et de post-impulsions (ou afterpulses, en anglais) doivent être compris pour les améliorer.

La génération suivante d’expériences comportera de grandes surfaces de photodétection. Même avec des grands tubes photomultiplicateurs, leur nombre total pourrait atteindre des milliers d’unités. La réduction des coûts est donc devenue un point critique.

Dans ce cadre, le service R&D Détecteurs mène un programme de recherche et développement avec Photonis, le fabricant de PMTs implanté en France.

 
Efficacité de détection relative et résolution en temps

Le niveau de lumière dans les expériences d’astroparticules est très bas. La surface de photocathode a beau avoir été augmentée pour collecter plus de photons, ce n’est pas toujours satisfaisant. C’est pourquoi Photonis développe de nouveaux procédés de photocathodes, afin d’améliorer leur effacacité quantique, qui est aujourd’hui de l’ordre de 25 %.

Un banc de test a donc été mis en place au service R&D Détecteurs de l’IPN d’Orsay pour mesurer l’efficacité de détection (le produit de l’efficacité quantique et de l’efficacité de collection). La source de lumière provient de l’interaction de particules alpha (produites par une source de 241Am) dans un scintillateur plastique rapide (Bicron BC 422). Cette source de lumière est très stable, homogè et sans bruit. Le déclenchement est réalisé avec un PMT rapide (Photonis XP2020) couplé au scintillateur par un guide de lumière afin de collecter un grand nombre de photoélectrons (environ 80). Cela assure une bonne référence en temps. Le PMT mesuré est placé verticalement à une grande distance (2,5 m) de la source de lumière pour obtenir une lumière quasi parallèle et un d’éclairement uniforme permettant d’obtenir un photoélectron au niveau de la photocathode. Les rapports de nombre d’impulsions détectées par le PMT en cours de test et le PMT de déclenchement sont mesur&eacutes ; pour comparer l’efficacité de détection entre différentes familles de PMT. Ce calcul est fait sur les histogrammes de charges obtenus en déclenchant l’acquisition avec le PMT de déclenchement réglé sur un seuil de 50 photoélectrons. Par exemple, une amélioration de 16 % a été constatée pour un procédé de photocathode.

Ce dispositif est aussi utilisé pour mesurer la dispersion de temps de transit. La résolution temporelle en fonction de la polarisation du PMT a été mesurée pour différents diamètres de tubes.

Les résultats donnent des règles pour faire des compromis entre la précision temporelle, le gain et l’efficacité de collection.

 
Bruit du photomultiplicateur
Le bruit d’un PMT est constitué d’impulsions spontanées. Il est mesuré à un seuil de 0,3 photoélectrons.
Le temps de décroissance du taux de bruit consécutif à un éblouissement (ou dazzling effect en anglais) a été déterminé. Il a été mesuré pour différents types de photocathodes.
Le taux de bruit en fonction de la température a aussi été mesuré. La boite étanche à la lumière utilisée pour ces mesures est placée dans une enceinte climatique (Vötsch VC 4034). Cette étude a porté sur différents types de photocathodes et de verres afin de caractériser leur contribution.
 
 
Une technique efficace pour la caractérisation des post-impulsions


Distribution de post-impulsion selon leur seuil en amplitude (0,3, 1 et 2 photoélectrons)

Le taux de post-impulsions et leur distribution temporelle caractérisent l’influence du processus de production sur la qualité du vide dans le tube. L’influence de la structure du multiplicateur a été étudiée en mesurant la distribution de post-impulsions pour différentes distributions de tension.
Le tube mesuré est placé verticalement dans une boite étanche à la lumière ou dans l’enceinte climatique (même dispositif que pour la mesure du bruit). Une LED pulsée génère la lumière. Le signal est mesuré avec un oscilloscope numérique (Lecroy WaveRuner 6050A, 300 MHz de bande passante). La profondeur d’enregistrement typique est de 20 μs. La fréquence d’échantillonnage est de 500 MSPS. Les courbes sont traitées en temps réel. La position et l’amplitude des impulsions seules sont enregistrées afin de réduire la taille des données et donc le temps d’accès au disque dur. Ce dispositif permet de traiter jusqu’à 300 événements par seconde.

Des simulations de trajectoires d’électrons et d’ions à l’intérieur du tube ont été menées au sein du service R&D Détecteurs avec le logiciel SIMION. Les résultats ont été comparés avec les mesures. Cela a permis de valider des hypothèses sur la génération des post-impulsions.

 

Contact  : B. Genolini

Publications et rapports :

  • D. Dornic, B. Genolini, T. Nguyen Trung, J. Pouthas, C. Moussant Characterisation of Improved Photocathode in Large Hemispherical Photomultiplier , Nucl. Inst. Meth. A 567 (2006) 27-30, dx.doi.org/10.1016/j.nima.2006.05.053
  • B. Genolini, L. Raux, C. de La Taille, J. PouthasA Large Dynamic Range Integrated Front-End Electronics for Photomultiplier Tubes , Nucl. Inst. Meth. A 567 (2006) 209-213 dx.doi.org/10.1016/j.nima.2006.05.090
  • J. Pouthas R&D on Large Photodetectors for MEMPHYS NNN06 conference, University of Washington, Seattle, WA, USA (2006)
  • J. Pouthas Large Photodetector Developments in Europe NNN05 conference, Aussois, France (2005)
  • J. Pouthas Photomultiplicateurs de grande surface en physique expérimentale (2004)
  • Liens : PMm2



     

    IPN

    Institut de Physique Nucléaire Orsay - 15 rue Georges CLEMENCEAU - 91406 ORSAY (FRANCE)
    UMR 8608 - CNRS/IN2P3

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