Caractérisation du photomultiplicateur
L'équipe du projet ECRINS a retrouvé une caisse de photomultiplicateurs qui datent des années 80.
Les données constructeurs n'ont (évidemment) pas étaient retrouvées.
Il faut donc mettre au point un "banc de test" pour caractériser ces photomultiplicateurs.
La caractérisation nous indiquera comment alimenter en haute tension les photomultiplicateurs pour qu'à une même
sollicitation (nombres de photons incidents) il ait la même réponse (signal de sortie).
Pour tester le photomultiplicateur il faut tout d'abord le placer dans un endroit à l'abri de la lumière du jour. Cette lumière est si intense pour le photomultiplicateur qu'elle arracherait tous les électrons de la photocathode et rendrait le photomultiplicateur inutilisable. Une fois le photomultiplicateur placé dans un caisson hermétique à la lumière, on simule une source lumineuse (qui simule le scintillateur traversé par des particules de gerbe cosmiques). On choisit pour cela une DEL bleue de longueur d'onde 420nm. En effet, on observe sur le graphique ci dessous indiquant les caractéristiques spectrales du photomultiplicateur, que le sommet de la parabole se trouve à une longueur d'onde d'environ 420nm pour un fonctionnement du photomultiplicateur optimal.
Pour obtenir un gain d'électrons maximum, il faut répartir les tensions entre chaque dynode de façon bien spécifique. On observe sur le graphique ci dessous que le gain dépend du voltage. On peut donc suivre la répartition indiquée sur la fiche de spécification du photomultiplicateur, en choisissant le type A ou B de distribution de la haute tension recommander, selon le gain qu'on souhaite obtenir. Donc plus on augmente la haute tension, plus on augmente le gain, car plus d'électrons sont arrachés à la photocathode et plus on arrache d'électrons sur les dynodes... De plus, le temps de transit est diminué dans ce cas, car les électrons sont accélérés.
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- éteindre la haute tension - ouvrir la boîte noire - mise en place du système créant les photons, ici on utilise une DEL bleue - mettre le PM à l'intérieur - fermer la boite - réactiver la haute tension - tourner le bouton LED pour l'allumer - observer le signal (période : 100Hz, pulsation : 5ns ) - brancher le codeur de charge - logiciel Spectrum visualisation, choisir codeur type 2249, voie 1, N1 AoFo puis lancer. |
La procédure prévu ne convient pas car la mesure se déclenche n'importe quand. L'acquisition du signal ne se fait pas correctement. Pour y remédier, il faut un système indiquant au codeur de charge (ADC) quand déclencher la mesure. On peut utiliser un système de porte : le discriminateur déclenche une porte lorsque le signal dépasse le seuil choisi.
Mais le signal n'est pas entièrement dans la porte, on utilise donc un retard pour retarder le signal:
La lumière émise par la DEL est convertie en courant par le photomultiplicateur. C'est un générateur de courant parfait. Pour allumer la DEL, on utilise un générateur à impulsion : amplitude 1 volt pendant 10ns à 100Hz. (Un photomultiplicateur travaille à 1 MHz .)
Le photomultiplicateur donne une réponse impulsionnelle lorsqu'il est sollicité, le signal est négatif car ce sont des électrons qui arrivent sur l'anode. Il y a un certain "bruit de fond" intrinsèque dans le photomultiplicateur dû au "courant d'obscurité " : l'agitation des électrons ( chaleur ).
En résumé pour réussir à acquérir le signal sur un ordinateur pour pouvoir faire les mesures et les statistiques nécessaires, il faut déclencher la mesure au moment où le signal est émis par le photomultiplicateur. Le FAN( in- out ) va d'abord dupliquer le signal à l'aide : on rentre un signal sur une borne et il en ressort quatre identiques. On envoie un signal sur l'oscilloscope ( 500MHz ) pour observer le signal initial. Ensuite il faut créer une "porte de mesure": c'est à dire régler un seuil et un temps de déclenchement de la mesure. On envoie donc un deuxième sur le discriminateur qui va générer cette porte. On envoie ce signal "porte" sur l'oscilloscope pour lui dire quand déclencher la mesure, et aussi sur le "gate" de l'ADC ( Analogique Digital Codeur ) qui va intégrer le signal et le coder sur 10 bit et l'envoie sur l'interface GPIB qui est relié à l'ordinateur. Et pour que le troisième signal sortant du FAN ( in-out ) et arrivant sur l'ADC soit dans la porte de mesure, il faut retarder le signal. On utilise un retardateur, qui est très simplement construit : c'est un câble enroulé, le signal est retardé de 5ns par 1 mètre de câble.
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- éteindre la haute tension - ouvrir la boite noire - mettre la DEL et le PM à l'intérieur - fermer la boite - réactiver la haute tension - allumer la LED - observer le signal (période 100Hz, pulsation 5ns ) - bouton rose 2ème voie: porte - retirer signal 1. - fil retarder en voie 1 - changer le trigger de la voie 1 à la 2 et régler le niveau - brancher codeur de charge - logiciel spectrum visualisation choisir codeur type 2249; voie 1, N1 AoFo puis lancer. |
On remarque que la distance entre le photomultiplicateur et la DEL influe sur les signaux, on place donc une butée pour maintenir une même longueur entre la DEL et le photomultiplicateur.
L'angle du photomultiplicateur influe également sur les signaux à cause du champ magnétique terrestre. Les électrons suivent les lignes de champ à l'intérieur du photomultiplicateur donc beaucoup sont perdus. On utilise alors un cylindre de mumétal pour l'entourer et le champ magnétique terrestre est annulé à l'intérieur de ce cylindre ainsi le photomultiplicateur n'est plus soumis à notre champ magnétique.
On réalise alors le montage suivant :
Vidéo de la manipulation au LPSC :
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- Courbe montrant l'importance du blindage magnétique (mumétal) :
- Courbe de caractérisation de plusieurs photomultiplicateurs :
