Optimisation des paramètre

s de la chambre à étincelles.

Rapport réalisé par O. van der Aadans le cadre du cours

PHYS2763.Titulaire : Pr. Gh. Grégoire.

Juin 2001

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1. Motivations

L’objectif de ce travail était d’arriver à faire fonctionner la chambre à étincelles. Les mesuresréalisées précédemment semblaient indiquer que le trigger fonctionnait normalement.Malheureusement seuls des claquages sur les bords des plaques étaient observés.

2. Système de déclenchement et problématique du Gaz.

Nous avons tout d’abord reconstitué le système électronique de déclenchement. Celui-ci estreprésenté sur la droite de la Figure 1. Sur la gauche on voit les deux « constant fractiondiscrimitators » (CFD) dont le signal de sortie entre directement dans la coïncidence. Lesignal de sortie de la coïncidence entre dans un module nim-ttl pour pouvoir commander ledispositif qui initie une étincelle dans l’éclateur (on voit ce dispositif sur l’extrême gauche dela Figure 1).

Nous avons utilisé deux alimentations CAEN car il n’a pas été possible d’utiliserl’alimentation HC 2000V pour alimenter simultanément les deux photomultiplicateurs. Eneffet l’alimentation HC2000 ne peut pas débiter un courant de plus de 3mA alors que lesphotomultiplicateurs consomment un total de 4.5 mA au point de fonctionnement optimal. Cepoint de fonctionnement est de 1653 Volts. Le signal de sortie de chacun dephotomultiplicateurs est indiqué sur la Figure 4. Si l’on regarde le signal moyenné sur 16échantillons (partie inférieure de la figure) on a un pic à –20 mV et une largeur à mi-hauteurde 6 ns pour le premier photomultiplicateur (gauche). Le second donne un signal similairequoique plus long et dont l’amplitude est plus faible.

Figure 1: La photo de droite représente l'électronique du système de déclenchement. Celle de gauche correspondau système de haute tension.

Nous avons continué de suivre le signal après passage dans les deux CFD, ils sont représentéssur la Figure 2. On voit clairement qu’il y a coïncidence entre les deux signaux dont la largeurest de ~13 ns.

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Figure 2: Coïncidence entre les signaux provenant des deux CFD après réglage du délai.

Afin de vérifier que notre coïncidence était bien réglée, nous avons compté1 le nombre decoïncidence pour un intervalle de temps donné en faisant varier le délai entre les signauxprovenant des deux CFD. Le résultat de cette mesure est indiqué sur la Figure 3, on remarqueque la demi-largeur du plateau correspond à 11ns ce qui est en accord avec la mesure directede la largeur du signal provenant des CFD (voir Figure 2).

0

2

4

6

8

1 0

1 2

1 4

1 6

1 8

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5

délais (ns)

Figure 3: Nombre de coïncidence en fonction du délai entre les deux signaux des photomultiplicateurs

Le nombre de coïncidences fortuites à été mesuré pendant 11635 s (~3h12). Nous n’avons paspu en observer sur cette période. Le taux de comptage à la sortie de chacun des CFD estindiqué sur la Table 1. Le taux de coïncidence fortuites attendues2 est de 2.87E-6 Hz,correspondant à une tous les 4.03 jours ! Le taux de coïncidence lorsque les PM sontsuperposés est de 20 coups par minute.

#coups Intervalle de temps (sec) Taux d’événements (Hz)PM1 2118 160 13.2PM2 1746 169 10.3PM1 & PM2 0 7135 0Attendu 0.033 2.87E-6

Table 1 : Taux de déclenchement de chacuns des PM pris séparéments ainsi que mis en coincidencelorsqu’ils ne sont pas superposés. La dernière ligne correspond au taux attendu.

1 Ce comptage à été réalisé en utilisant les deux modules situés a gauche des alimentations rouges que l’on peutvoir sur la Figure 1.2 Calculé en utilisant la formule : r1*r2*2∆t ou ∆t=10.5ns (largeur à mi-hauteur du signal à la sortie du CFD), r1et r2 sont les taux d’événements de chacun des photomultiplicateurs.

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A ce stade nous n’observions aucune traces. Afin de s’assurer que l’ensemble du dispositifélectronique fonctionnait correctement nous avons mesuré le temps qui s’écoule entre lacoïncidence et la mise en charge de la chambre. Sur la Figure 8 on voit 145 ns de délais entrela coïncidence et l’étincelle dans l’éclateur. On aurait donc un délai de l’ordre de 230 ns pourl’ensemble de la chaîne car il faut ajouter ~80ns pour les CFD ainsi que les PM et lacoïncidence. Ce délai nous semblait suffisamment petit par rapport au 2cm/µs de dérivetypique dans ce type de gaz.

Auparavant le gaz utilisé était du néon pur, nous avons changé de bouteille pour utiliser unmélange d’He/Ne (90%/10%) qui nous avait été conseillé. Avec un débit de 8 l/h, leremplissage complet de la chambre (22 l) demande 2h45. Ce n’est qu’en purgeant pendant 4hque nous avons pu observer des traces. Auparavant le débit de purge utilisé était de 1 bulle/s,ce qui aurais nécessité 17h de purge !

Lorsque la chambre est totalement purgée, un débit réduit de 1bulle/s est suffisant pourentretenir l’apparition de traces. Pour se donner une idée du temps de vie d’une bouteille demélange He/Ne prenons une consommation de ~45 l/jours (24h au débit de 1 bulle/s), celadonne un temps de vie de 222 jours pour une bouteille de 50 l à 200 bars de pression.

Figure 4: Signaux de sortie pour chacun des photomultiplicateurs. Dans la partie supérieure de la figure onobserve le signal original. Les deux graphes inférieurs correspondent aux signaux supérieurs moyennés sur 16échantillons.

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Photographie3 des traces

Nous avons voulu photographier les traces que l'on pouvait observer à l'œil nu. Plusieursoptions étaient possibles. La première était de déclencher un appareil photo au moyen dutrigger de la chambre mais nous ne disposions pas d'un tel appareil. Une seconde possibilitéétait de faire une pose de quelques secondes avec un appareil classique. La difficultéconsistant à trouver le temps optimal pour ne pas saturer la pellicule avec lumière ambianterésiduelle; de plus on aurait vu plusieurs étincelles se superposer sur une même photographie.C'est en utilisant un appareil photo numérique4 capable de prendre ~1 photo par seconde quenous avons pu réaliser les clichés qui suivent.

Nous avions intérêt à nous isoler au maximum de la lumière ambiante. Cela présentait deuxavantages. Le premier est d'éviter d'avoir des reflets sur la face avant de la chambre. Lesecond est que le temps d'exposition sera plus long que dans une situation ou il fait clair cequi augmentait la probabilité d'avoir une coïncidence fortuite entre l'apparition de la trace etl'ouverture de l'appareil.

Figure 5: Boite noire utilisée pour prendre des clichés des étincelles. La chambre àétincelles se trouve derrière la boite. Nous avons pratiqué un trou sur l'avant de la boitepour y placer l'appareil photo. Sur la droite de la boîte on observe une lampe TL permettantd'éclairer la chambre pour prendre la photo de calibration.

La Figure 3 représente le système de "boite noire" que nous avons utilisé pour réaliser nosclichés. Nous procédions de la manière suivante:

• Mise en route du déclencheur de la chambre à étincelles• Réglage du zoom de l'appareil photo pour que l'entièreté de la chambre rentre dans le

cliché. Prise d'une photo de la chambre avec TL allumé.• Prise d'une séquence de 30 photographies5 à un taux de ~1 photo/s

3 « Une image vaut 1000 mots » Proverbe chinois.4 Canon PowerShoot S10. Résolution utilisée 1280x960 pixels.5 Limitation donnée par la taille de la mémoire disponible (8Mbytes).

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• Nous avons réalisé cette séquence plusieurs fois pour obtenir les photographies de laFigure 7

Sur une série de 30 clichés, nous avions environ ~7 clichés qui contenaient une étincelle, lesautres étant totalement noires. Nous avons utilisé un logiciel de retouche d'image6 pourpouvoir superposer la trace (prise dans l'obscurité) sur la photo de la chambre (prise avec TLallumé). Ceci est illustré sur la Figure 6. La première et la seconde photo correspondent auxclichés originaux. La troisième est le résultat de la superposition des deux premières enconsidérant le noir comme transparent.

Figure 6: Illustration des étapes nécessaires pour obtenir les différents clichés de la Figure 7.Les deux premières photographies sont les originaux. La troisième est le résultat de lasuperposition des deux premières.

6 Corel Draw et Adobe PhotoShop

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Figure 7: Ensemble de clichés de traces obtenus par la technique illustrée sur la Figure 6

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Mesures de l'efficacité de la chambre.

Nous avons voulu mesurer l'efficacité de la chambre en fonction de deux paramètres. Lepremier est la haute tension appliquée lors du déclenchement. Le second paramètre est le délaientre le moment ou il y a coïncidence et le moment ou il y a l'étincelle au niveau de l'éclateur.Nous définissons l'efficacité de la chambre comme (#trace)/(#déclenchement).#déclenchement correspond au nombre de trigger. #trace est le nombre d'étincelles que nousconsidérons comme étant des traces7. Nous avons voulu utiliser un compteur pour compter lenombre de déclenchement du trigger. Cela n’a pas été possible vu les perturbationsélectromagnétiques que provoque l’étincelle de l’éclateur. Nous avons donc compté à deux,l’un comptait le nombre de traces alors que l’autre comptait le nombre de déclenchent. Lesrésultats sont représentés sur la Table 2. On observe que l’efficacité a tendance à diminuerlorsque la tension est supérieure a 12000 Volts. Dans cette situation il se produit des étincellesà d’autres endroits qu’uniquement le long d’une trace. Lorsque la tension est aux alentours de9000 Volts, la majorité des étincelles ne se produisent pas le long d’une trace mais bien surles bords de la chambre. Une efficacité maximale de 75% à été obtenue lorsque la tension estde 12000 Volts. Nous avons également observé qu’au-delà de 18500 Volts, l’éclateur éclatespontanément.

HT appliquée à la chambre (Volts) Efficacité de la chambre (%)8000 09000 1610000 5312000 7514000 7315000 60

Table 2: Efficacité de la chambre en fonction de la tension d'alimentation de celle-ci

Nous avons également voulu observer l’effet du délai8 sur l’efficacité de la chambre. Toutd’abord nous avons essayé de mesurer le délai lorsque le crate était rapproché au maximumdu système avec l’éclateur. Sur la Figure 8 on voit en rouge le pic du trigger sortant de lacoïncidence et vert le signal produit par l’étincelle lors du claquage de l’éclateur. Le délaimesuré est de ~145 ns.

Afin de voir l’effet du délai sur l’efficacité de la chambre, nous avons ajouté respectivement189 et 793 ns au 145ns de délai existant. Les mesures d'efficacité n’ont pas permis de voir uneréduction significative de l’efficacité de la chambre.

7 Notre critère est d’observer une trace qui parcourt toute la chambre et qu’il n’y ait pas d’autres étincelles enmême temps.8 Nous entendons par délais le temps qui s’écoule entre le moment ou la coïncidence est vraie et le moment oul’éclateur fonctionne.

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Figure 8: Délai mesuré entre le moment ou il y a eu déclenchement (en rouge) et le moment oul’étincelle s’est produite dans l’éclateur.

Conclusions et suggestions.

A l’issue de ce travail, nous sommes parvenus à faire fonctionner la chambre à étincelles detelle manière que des traces soient observables. Nous avons pu mettre en évidencel’importance de réaliser une purge de la chambre pendant 4h à un débit de 8l/h. Le réglage desdifférents paramètres qui interviennent dans le système de déclenchement à permis d’obtenirune efficacité de 75%. Nous avons également pu réaliser des clichés des traces observées.

Concernant le système de déclenchement haute tension, les condensateurs9 de 2220pf utilisésne peuvent tenir le coup pour une utilisation de longue durée. Nous avons observé quel’utilisation d’une tension10 de 18000 Volts pendant une période prolongée finit par produireun claquage à l’intérieur du condensateur, ce qui le rend inutilisable. Nous avons trouvé dansles caves du cyclotron un ensemble de 6 condensateurs qui pourraient convenir afin deremplacer les condensateurs utilisés.

Il faudrait une alimentation HCE-7 2000 supplémentaire afin de pouvoir rendre la chambreindépendante des alimentations CAEN que nous utilisons et intégrer le tout dans un rack.

9 En rouge sur la Figure 1.10 Appliquée aux condensateurs qui sont déchargés dans la chambre. Voir sur la droite de la Figure 1