Soutenance mémoire
LE SYSTEME D’ACQUISITION FASTER
FASTER (Fast Acquisition SysTem for nuclEar Research) est un système d’acquisition numérique complet, développé par une équipe d’ingénieurs et techniciens du Laboratoire de Physique Corpusculaire de Caen (LPC Caen ENSICAEN) – dont je fais partie. Il allie un savoirfaire aussi bien en instrumentation, en électronique ainsi qu’en informatique. Il a pour objectif de proposer une solution globale d’acquisition numérique, entièrement générique et modulaire, reconfigurable à volonté, pour la plupart des expériences de physique nucléaire utilisant d’une à une centaine de voies de mesure. Ainsi, il suffit de connecter chaque détecteur, soit directement, soit via un pré-amplificateur, à l’acquisition FASTER, et le système sélectionne les informations en temps réel, les traite, les trie, les regroupe éventuellement, et enfin les visualise en ligne, tout en les enregistrant sur disque pour un traitement post-expérience optimisé. La visualisation en ligne est effectuée grâce au logiciel RHB (ROOT Histogram Builder), développé aussi au LPCCAEN. Il permet de construire en temps réel des histogrammes d’énergie, de temps de vol, ou tout autre histogramme à 1 ou 2 dimensions, basé sur les informations calculés et compilés par FASTER. Il est basé sur le logiciel ROOT développé par le CERN.
Architecture FASTER
Nous allons décrire, dans ce chapitre, l’architecture de FASTER. Le projet a été pensé pour être modulaire, fonctionnant en temps réel, utilisant des standards industriels et ayant un prix abordable par voie d’acquisition. Ces contraintes ont été à l’origine des choix adoptés pour l’architecture logicielle et matérielle.
Architecture logicielle
Il faut imaginer FASTER comme un arbre synchronisé. Les détecteurs de l’expérience sont branchés aux feuilles et le tronc contient les informations compilées de tous les détecteurs, acquises par l’utilisateur. Le flux d’informations provenant des détecteurs circule donc des feuilles vers le tronc, tandis que les informations de contrôle-commande circulent du tronc vers les feuilles.
Chaque feuille est autonome. Son rôle est de synthétiser des informations numériques provenant des détecteurs, utiles à l’expérience. Cela peut être, par exemple, la charge sur une ou plusieurs portes d’intégration, lorsque le détecteur est un ensemble scintillateur/tube photomultiplicateur, ou alors l’amplitude du signal lorsqu’il s’agit d’une spectrométrie avec des détecteurs comme le CdTe, ou le HPGe. L’ensemble des informations calculées par une feuille, relative à une impulsion électronique dans le détecteur, est datée individuellement, grâce à une horloge locale de fréquence 125 MHz créée à partir d’une horloge de 10 MHz commune à toutes les voies. A chaque début d’expérience, un signal T0 est envoyé à toutes les feuilles, pour initialiser le moment « 0 ». Comme les horloges locales ne sont pas synchronisées entre elle, les T0 locaux des feuilles sont définis à ±8 ns près. Toutefois, l’écart des T0 entre feuille reste constant pendant toute la durée de l’expérience. Par conséquent, une calibration temporelle plus précise peut être effectuée au moyen d’événements provenant de l’expérience.
Les informations datées provenant des détecteurs sont ensuite réunies dans chaque nœud . A chaque nœud, elles sont triées en temps et éventuellement rassemblées par événement (coïncidences) grâce à des décisions logiques effectuées sur la date des impulsions –dans le cas où un événement touche plusieurs détecteurs- puis envoyées vers le nœud parent. Les informations peuvent également être filtrées, de façon à évacuer les données inutiles, et limiter, par un choix et une prise de décision précoce, le flux d’informations enregistré sur disque. En effet, c’est en général au niveau de l’ordinateur que le flux peut subir des pertes de données : au maximum, 500 000 données par seconde peuvent en effet être enregistrées en continu sur un ordinateur classique, et le système accepte des pics de 10 s de 3.10⁶ événements par seconde.
Une feuille de FASTER contient un module de numérisation du signal électronique et un module de traitement du signal (tel que le QDC-TDC, l’ADC, ou la Synchronisation RF), appelé aussi Module numérique de Mesure MnM. Un nœud de FASTER contient un module de tri et un module de transfert de l’information. FASTER est donc une acquisition modulaire car une feuille/détecteur peut être rajoutée ou enlevée sans difficulté de synchronisation. La structure en arbre se retrouve dans l’architecture matérielle.
Architecture matérielle
L’architecture matérielle s’appuie sur un ensemble de cartes filles/cartes mères. Les cartes filles s’occupent de la numérisation du signal de la feuille, les cartes mères contiennent l’intelligence. Celles-ci comprennent aussi bien le MnM d’une feuille, que les modules de tri et de transfert de l’information des nœuds. L’acquisition FASTER s’appuie aussi sur des standards industriels. Les cartes filles sont au format VITA57, les cartes mères ont le format NIM ou microTCA. Le transfert des données vers l’ordinateur d’acquisition suit le protocole UDP/IP via une connexion Ethernet gigabit.
Actuellement, il existe quatre cartes filles : la carte CARAS, MOSAHR, CARAMEL, et HT . La carte HT, conçue par Jérôme Langlois, peut-être mise à part. Cette carte fournit et contrôle l’alimentation HT des détecteurs. Les trois autres cartes filles font partie intégrante des feuilles (voies d’acquisitions) FASTER. Elles ont pour fonction de numériser le signal provenant des détecteurs.
La carte CARAMEL (CARte Acquisition Multivoies Electromètre), conçue par Frédéric Boumard, est une carte de conversion charge-tension 32 voies, intégrant les charges pendant une durée paramétrable de 10 µs à 1 ms. La gamme dynamique est programmable de 3 pC/10 µs à 12 pC/10 µs, le bruit électronique est de l’ordre de 1fCrms. Cette carte est utilisée pour mesurer les signaux des chambres d’ionisation comme dans le projet Dosion [18], ou pour mesurer la charge de photodiodes.
La carte MOSAHR (MOdule for Signal Acquisition, High Resolution), que j’ai conçue, est une carte comprenant 4 voies de numérisation 14BITs à une fréquence de 125 MHz. Sa bande passante est de 25 MHz. L’expérimentateur peut choisir sa gamme dynamique grâce à un commutateur manuel (±1 V, ±2 V, ±5 V, ±10 V), et l’impédance d’entrée est de l’ordre de 1 kΩ. Le bruit électronique est de l’ordre 1LSBrms, (soit 130 µVrms pour la gamme dynamique de ±1 V). Cette carte est en général utilisée pour la spectroscopie haute résolution. Dans ce cas, il est nécessaire que le détecteur soit suivi d’un pré-amplificateur de charge avant d’être branché à une voie de MOSAHR.
La carte CARAS (CARte d’Acquisition du Signal), que j’ai également conçue, comprend 2 voies de numérisation 12BITs à 500 MHz. Sa bande passante est de 100 MHz et sa gamme dynamique de ±1,15 V. L’expérimentateur peut néanmoins rajouter un offset compris entre – 1,1 V et 1,1 V, ajustable par programmation, pour l’adapter à la gamme dynamique de sortie de son détecteur. L’impédance d’entrée de 50 Ω ou 10 kΩ est sélectionnée au moyen d’un commutateur manuel. Le bruit électronique est de l’ordre 1LSBrms soit environ, 600 µVrms. Cette carte est surtout utilisée pour la mesure de charges, lorsqu’un tube photomultiplicateur est branché à l’une de ses voies, mais nous verrons que beaucoup d’autres modules d’analyse ont été développés pour elle.
Trois formats de carte mère sont disponibles (cf. figure 8). Elles ont toutes pour nom SYROCO : « Système Reconfigurable et Original de Communication ». Elles ont été conçues par Benjamin Carniol, David Etasse et Julien Hareng. Les cartes mères contiennent l’intelligence de FASTER, à savoir le MnM des feuilles, le tri et le transfert de l’information, programmés en langage VHDL dans des FPGA (field-programmable gate array) ALTERA. La carte mère SYROCO_V2, qui a été la première conçue, contient un arbre FASTER miniature. Elle ne peut accueillir qu’une seule carte fille et n’a qu’un seul FPGA (EP3C40F484C6N). Elle est utilisée pour des tests de détecteurs et des petits projets. La carte au format NIM contient trois FPGA Cyclone3 (EP3C40F484C6N) et un ARRIA1GX (EP1AGX35CF484C6N), et peut accueillir deux cartes filles. La carte au format microTCA contient deux Cyclone3 (EP3C40F484C6N) et un ARRIA1GX (EP1AGX35CF484C6N). Ce dernier format est utilisé pour des expériences qui ont besoin d’un plus grand nombre de voies, car toutes les cartes contenues dans un même châssis microTCA sont synchronisées.
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Table des matières
I Introduction
I.1 Motivations physiques
I.2 Motivations instrumentales
II Le système d’acquisition FASTER
II.1 Architecture FASTER
II.1.1 Architecture logicielle
II.1.2 Architecture matérielle
II.1.3 Les Modules numériques de Mesure
II.2 Les Modules numériques de Mesure spécifiques à l’expérience
II.2.1 Description du MnM RF
II.2.2 Description du MnM QTDC
III Description du dispositif expérimental et du mode opératoire
III.1 Processus de détection de la désintégration β+
III.2 Dispositif expérimental
III.2.1 Du faisceau aux détecteurs
III.2.2 Des détecteurs aux systèmes d’acquisition
III.3 Mode opératoire
III.4 Informations acquises par FASTER pour cette expérience
III.4.1 Les données QDC
III.4.2 Les données RF
III.5 Grandeurs d’influences des mesurages
IV Elements mathématiques pour l’évaluation de la durée de vie
IV.1 La sélection des événements
IV.1.1 Rappel sur la notion de temps mort
IV.1.2 Stratégie de sélection des événements
IV.2 Loi de probabilité et fonctions modèles
IV.2.1 Loi de probabilité
IV.2.2 Fonctions modèles
IV.3 Estimation des paramètres
IV.3.1 La vraisemblance
IV.3.2 Test d’hypothèse. Loi du khi2
IV.3.3 Composition des estimations d’un paramètre et de ses incertitudes
IV.3.4 Les méthodes d’ajustement
IV.3.5 Etude d’un estimateur « numérique »
IV.4 Conclusion
V Analyse PrélIminaire
V.1 Etude des histogrammes des charges déposées
V.1.1 Spectres des différents PM
V.1.2 Etudes des spectres des photomultiplicateurs 1 & 2 et de leur évolution
V.1.3 Relation entre l’amplitude et la charge
V.2 Histogramme d’intervalles de temps
V.2.1 TIH des événements par voie
V.2.2 TIH des événements en coïncidence sur PM1 et PM2
V.3 Signaux oscilloscope
V.3.1 Etude des signaux bruts
V.3.2 Modèle de ligne de base
V.3.3 Evaluation de la variation du gain
V.3.4 Résultats
V.4 Conclusion
VI Impact de la variation des grandeurs d’influences
VI.1 Impact sur le comptage des variations de gain, de ligne de base et d’empilements
VI.1.1 Variation de gain
VI.1.2 Variation de ligne de base
VI.1.3 Variation d’empilements
VI.2 Impact sur la mesure de la durée de vie
VI.2.1 Impact de la variation de gain
VI.2.2 Impact de la variation de ligne de base
VI.2.3 Impact de l’empilement
VI.3 Conclusion
VII Algorithme de compensation
VII.1 Stratégie
VII.1.1 Analyse de forme
VII.1.2 Définition des zones temporelles
VII.1.3 Définition du spectre de référence
VII.1.4 Méthode
VII.2 Impact de l’algorithme de compensation sur les simulations Monte-Carlo
VII.2.1 Décroissance sans variation de gain et de zéro
VII.2.2 Décroissance avec variation de gain
VII.2.3 Décroissance avec variation de gain et de zéro
VII.3 Conclusion
VIII Resultats
VIII.1 Estimation de la durée de vie en fonction du temps mort
VIII.2 Mesures de la variation de gain, définition du paramètre Nzone
VIII.3 Estimation de la durée de vie en fonction du t0
VIII.4 Comparaison des durées de vie
VIII.5 Estimation des durées de vie par déversement
VIII.6 Résidu et test d’hypothèse
VIII.7 Biais et incertitudes
VIII.7.1 Incertitude statistique
VIII.7.2 Incertitude due à la variation de gain
VIII.7.3 Influence de la variation de ligne de base et du spectre d’empilement
VIII.7.4 Bilan total
IX Conclusion
