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PMm2

Tubes photomultiplicateurs hémisphériques sous haute pression

 

 

PMm2, une structure modulaire pour les futures expériences de détection de neutrino

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Principe de l’architecture modulaire

La génération d’expériences de détection de neutrino postérieure à SuperKamiokande va se faire sur la base de cuves d’eau de l’ordre du million de tonnes. Il faudra pour cela de grandes surfaces de photodétection. Même avec des tubes photomultiplicateurs de grande surface, le nombre de canaux devrait être de quelques centaines de milliers. Les coûts sont donc une question majeure, et tenir compte des processus de production ainsi que de la fiabilité. D’autant plus que la pression de l’eau peut atteindre plusieurs bars : la profondeur des cuves est de l’ordre de 70 m. Nous avons spécifié une tenue à 10 bars pour les matériels.

Nous avons mis en place un projet, appelé PMm2, pour étudier une solution modulaire et économique pour ce type de photodétection. Il s’agit d’équiper un ensemble de 16 tubes avec un dispositif de contrôle et l’acquisition des signaux (alimentation de haute tension unique, numérisation de la charge et de l’instant d’arrivée des impulsions, récupération des données via internet) .C’est une collaboration entre le LAL (réalisation d’un circuit intégré spécifique (ASIC) de numérisation), le LAPP (choix du câble de transmission de données et carte d’interface avec Ethernet) et l’IPN (nous avons étudié la tenue des tubes à la pression, réalisé l’étanchéité des embases, et le support mécanique du démonstrateur ; le service d’électronique de l’IPN a travaillé sur le circuit intégré et a réalisé la carte le supportant ). Photonis a participé au début du projet en ce qui concerne les tubes photomultiplicateurs. Un membre de l’Université Libre de Bruxelles s’est occupé du programme d’acquisition de données.

Ce projet a été financé par le contrat ANR-06-BLAN-0186

 

Tests de tubes photomultiplicateurs sous pression

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Calculs de contrainte sur une verrerie de tube

Les premiers calculs de coûts montraient qu’il valait mieux utiliser des tubes de 12 pouces de diamètre. Or, les tubes existant ne tenaient pas la pression de 10 bars. Le service détecteur de l’IPN a mené des calculs de contrainte pour identifier les points faibles de la verrerie. Nous avons confirmé cette étude avec des tests dans une enceinte sous pression (prêtée par BNL, image de gauche). Nous avons pour cela installé des capteurs de contraintes sur les tubes (images de droite).

Photonis a conçu et produit des prototypes de tubes suite à l’analyse de nos calculs. Ils ont tenu au-delà du seuil de pression de 10 bars que nous avions fixé.

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Etanchéité sous pression

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L’enceinte de tests sous pression

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Moulage des PM

Nous avons réalisé l’étanchéité de l’embase avec un matériau d’enrobage, ainsi que le passage de câble étanche vers l’enceinte d’électronique avec une société spécialisée.

Comme notre enceinte de tests sous pression ne pouvait pas contenir 16 gros tubes, nous avons fait des essais avec l’ensemble (tubes, câbles, enceinte d’électronique et câble de données) avec des tubes d’un pouce de diamètre (photo ci-dessous). Nous avons fait ces mesures avec la première version de l’ASIC, appelé PARISROC, développé au LAL. Les données étaient transmises par l’intermédiaire de la carte développée au LAPP (PMm2 box). Cette carte est connectée à Internet, et nous avons récupéré les données avec un programme qu’un membre de la collaboration de l’Université Libre de Bruxelle a écrit en Java.

 

 

Tests d’électronique avec des tubes photomultiplicateur

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Mesure à l’oscilloscope du signal du tube photomultiplicateur et de la sortie de discriminateur de l’ASIC

Nous avons utilisé nos compétences en matière de mesures sur les tubes photomultiplicateurs pour tester les différentes version de l’électronique avec des tubes photomultiplicateurs. Nous avons comparé les mesures faites avec l’électronique PMm2 avec l’analyse des signaux acquis avec un oscilloscope numérique. Nous avons pu valider la qualité de la réponse en électron unique en charge, et évaluer la réponse en temps du discriminateur du circuit intégré en fonction de la forme du signal. L’illustration ci-dessous montre le temps d’arrivée des signaux de discriminateur de l’ASIC en fonction de la charge mesurée en sortie de tube photomultiplicateur. Nous avons mesuré les temps et les charges en analysant les traces acquises avec un oscilloscope numérique.

Démonstrateur de 16 tubes

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Les 16 tubes photomultiplicateurs sur le démonstrateur

Nous avons réalisé un démonstrateur, équipé de 16 tubes photomultiplicateurs de 8 pouces (Hamamatsu R5912), d’une enceinte d’électronique avec la deuxième version de l’ASIC PARISROC. Le service électronique de l’IPN a réécrit le programme d’acquisition en C# pour s’adapter à la nouvelle version de l’ASIC. Nous avons fait des mesures préliminaires dans une enceinte assurant l’étanchéité à la lumière que nous avons conçue et montée, puis nous avons placé le dispositif dans l’eau. L’illustration ci-dessous montre les spectres en électron unique.

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Contacts : B. Genolini

Liens :

Publications et rapports :

  • B. Genolini for the PMm2 collaboration PMm2 : Large Photomultipliers and innovative electronics for the next-generation neutrino experiments , Nucl. Inst. Meth. A 610 (2009) 249-252, dx.doi.org/10.1016/j.nima.2009.05.135
  • B. Genolini PMm2_IPNO_SeminairePMm2_IPNO_Seminaire (2011)

Voir en ligne : Site officiel de PMm2


 

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