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Observatoire Pierre Auger / Nord

Conception d’embases de tubes photomultiplicateurs de grande gamme dynamique

 

Le site nord de l’Observatoire Pierre Auger :
étendre la gamme dynamique de l’expérience d’un facteur 100

Cuve Cherenkov

Le site nord de l’Observatoire Pierre Auger est en phase d’étude. C’est aussi un détecteur hybride qui tire avantage de techniques de détection complémentaires : un Détecteur de Surface (SD) et un Détecteur de Fluorescence (FD). Son objectif est de mesurer des gerbes de particules produites par des particules d’ultra haute énergie, à des niveaux plus importants que sur le premier site. En particulier pour les détecteurs de surface, la gamme dynamique doit être étendue d’un facteur 60.

Le détecteur de surface est un réseau de plusieurs milliers de cuves d’eau. Chaque cuve sera équipée d’un tube photomultiplicateur de 8 pouces de diamètre pour détecter la lumière Cherenkov produite lors du passage de particules dans l’eau.

La conception des embases pour les photomultiplicateurs a été faite sous la responsabilité de l’IPN d’Orsay. Elle a été validée à partir des tubes photomultiplicateurs Photonis XP1805, utilisés sur le site sud. Malgré l’arrêt de la production des tubes photomultiplicateurs par Photonis, d’autres groupes poursuivent l’étude à partir d’un autre tube (Hamamatsu R5912-MOD).

Cependant, la collaboration met en place un réseau de 10 cuves pour valider les étapes d’étude. Ce réseau, appelé RDA, se construit à partir de la fin 2010. La contribution du service détecteurs est d’y envoyer 10 des tubes XP1805 qui ont servi aux études, équipés d’embases.

 
Étude de la linéarité d’un tube photomultiplicateur

Banc de test

Nous avons étudié le comportement des sorties de 14 tubes Photonis XP1805 en injectant de la lumière avec une LED pulsée. Le signal de commande de la LED est atténué sur plusieurs ordres de grandeur de manière à couvrir la gamme dynamique d’Auger Nord. La quantité de lumière injectée est contrôlée par quatre petits tubes avec des obturations différentes. Nous mesurons les signaux d’anode et de dynodes des XP1805 avec une carte d’acquisition du signal (MATACQ).

Nous avons mesuré de cette façon la linéarité de différentes dynodes du XP1805. En effet, s’il y a trop d’électrons entre deux dynodes, ceux-ci génèrent un champ électrique qui perturbe la collection. La réponse de la dynode n’est plus linéaire avec la lumière qui arrive en entrée. C’est une des principales causes de non-linéarité des dynodes.

La figure en bas à droite montre les résultats des mesures faites sur un tube des zones linéaires (avec 5 % d’erreur maximum) des sorties anode et de dynodes pour. Cet exemple montre que si l’anode permet de couvrir un peu plus que la gamme dynamique d’Auger sud (correspondant à une amplitude en courant de l’ordre de 0.2 µA), il faut aller chercher la quatrième dynode. Cependant, compte tenu des dispersions de gains d’un tube à un autre, nous avons choisi de limiter l’extension de la gamme dynamique d’un facteur 20 par rapport à Auger Sud (ce qui correspond au tube le moins performant dont nous disposons), en utilisant la cinquième dynode.

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Lecture du signal d’une dynode

Domaine de linéarité des sorties du PM.

Nous devons donc lire au moins une sortie dynode, tout en minimisant le nombre de câbles, pour des raisons de coûts et de fiabilité. Il faut alors prévoir l’étalonnage entre la sortie dynode et l’anode : ce rapport varie avec la tension d’alimentation du tube, et n’est pas le même d’un tube à l’autre. Par exemple, entre l’anode (en rouge sur la figure) et la cinquième dynode (en bleu sur la figure), il varie de 100 à 200. Avec la quatrième dynode (en vert sur la figure), il est de près de 1000. Or, nous avons vu avec le premier site d’Auger que l’étalonnage des voies entre elles peut être fait correctement pour un rapport de l’ordre de 30. C’est pourquoi nous avons dupliqué le signal d’anode, que nous l’avons amplifié pour voir les plus petits signaux, mais aussi atténué (partie en pointillés rouge) pour faire un étalonnage croisé avec des grands signaux avec la sortie dynode. Cette sortie doit être aussi amplifiée (parties en pointillés) pour profiter au mieux de la gamme dynamique d’entrée de l’ADC (pointillés horizontaux noirs), et établir un rapport satisfaisant avec la sortie d’anode atténuée.
 
Validation avec un prototype

Embases produites pour le RDA.

Nous avons fait des mesures avec un prototype d’embase (cf. photo ci-contre), avec les prototypes qui fonctionneront sur le réseau d’étude (RDA) : l’électronique analogique (développée au SEP), et la carte d’acquisition (développée à l’APC). Nous avons travaillé avec le même dispositif d’injection de lumière que celui que nous avions utilisé pour étudier les limites de linéarité du tube XP1805 (voir plus haut). Nous avons comparé les résultats de l’acquisition de données avec un oscilloscope numérique et la carte d’acquisition de l’APC, et nous avons validé que nous retrouvions les mêmes valeurs de mesures de charge, et qu’il est possible d’étalonner gains des différentes sorties avec une LED pulsée. La précision que nous avons atteinte sur la mesure du rapport de gains entre les sorties avec les prototypes de chaînes d’acquisition du RDA est au moins de 3 %.
 

Contact  : B. Genolini

Publications et rapports :

B. Genolini, T. Nguyen Trung, J. Pouthas, C. Périnet Extension of the dynamic range of a single photomultiplier tube for the Auger North Surface DetectorsGAP 2009-139, Auger note (2009)

Liens :


 

IPN

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

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