30 mai 2024
NectarCAM joue au ping-pong avec les rayons gamma
NectarCAM joue au ping-pong avec les rayons gamma

Figure 1: Image de synthèse d’un télescope de taille moyenne (MST) de l’observatoire CTAO. La caméra NectarCAM équipera le plan focal des 9 MST qui seront installés sur le site Nord de CTAO à La Palma (Espagne). (crédit : O. Ferreira/NectarCAM collaboration)

Dans leur quête des mystères de l'Univers, les astrophysiciens doivent capter les signaux fugaces des événements cosmiques. Pour parvenir à cette fin, ingénieurs et physiciens doivent repousser les limites de la technologie. Le Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO), une initiative mondiale visant à construire l'observatoire terrestre de rayons gamma le plus avancé au monde, fait partie de ce vaste effort. Le CTAO utilisera des télescopes de trois tailles différentes - grand, moyen et petit - pour couvrir pour la première fois toute la gamme d'énergie entre 20 GeV et 300 TeV. CTAO comportera deux sites - au Chili et aux îles Canaries - pour couvrir l'ensemble du ciel. La caméra NectarCAM, qui est équipée d'un composant essentiel appelé carte d’électronique frontale (FEB), est au cœur du fonctionnement des télescopes de taille moyenne qui seront installés sur le site nord de CTAO. Le développement de la nouvelle FEB en 2020, avec l'intégration de la puce innovante NECTAr3 développée à l'IRFU, a permis d’améliorer de façon significative l’efficacité de déclenchement de NectarCAM et est une avancée notable vers la découverte de l’origine des rayons cosmiques. La nouvelle puce permet de diminuer le temps mort de la caméra d'un ordre de grandeur, d'augmenter sa fréquence d’acquisition de données cosmiques et d'abaisser le seuil d'énergie des rayons gamma détectables. La nouvelle FEB et la puce NECTAr3, ainsi que les tests effectués à l'Irfu pour vérifier l'amélioration des performances de la caméra en termes de temps mort, de linéarité et de précision temporelle sont décrits dans un article publié par le journal NIM-A en avril 2024.

 

La nouvelle puce NECTAr pour la carte d’électronique frontale (FEB) de NectarCAM

La caméra NectarCAM agit comme les yeux de l'observatoire, capturant de brefs mais brillants éclairs de lumière Cherenkov produits lorsque des rayons gamma de haute énergie entrent en collision avec l'atmosphère de la Terre. Cette lumière fugace dévoile les processus violents qui se produisent dans la Galaxie et au-delà, depuis les explosions de supernovae jusqu’au comportement énigmatique des trous noirs. Au cœur de NectarCAM, la FEB traduit les signaux lumineux en données numériques que les scientifiques peuvent ensuite analyser.

Lorsque la lumière Cherenkov atteint la caméra, elle est d'abord captée par des photomultiplicateurs, au nombre de 1855 pour une NectarCAM. Ces détecteurs convertissent la faible lumière en signaux électriques, qui sont amplifiés dans deux canaux de gain différents. Les signaux amplifiés sont ensuite envoyés à la FEB, où ils sont amplifiés une deuxième fois, échantillonnés, puis, après déclenchement de la caméra, numérisés et enregistrés. La puce NECTAr, développée à l'Irfu[1], est au cœur de la FEB. Elle comprend un réseau de condensateurs commutés échantillonnant les signaux à 1 GHz et un convertisseur analogique-numérique (CAN) de 12 bits pour la numérisation de ces signaux, à la réception d'un signal de déclenchement. L'une des principales avancées de la nouvelle puce NECTAr est sa capacité à fonctionner en "mode ping-pong".

Dans ce mode, la mémoire de la puce est divisée en deux segments qui fonctionnent alternativement pour optimiser le traitement des signaux analogiques entrants, ce qui permet de résoudre le problème du temps mort, c'est-à-dire la période pendant laquelle le système ne peut pas enregistrer de nouvelles données tout en traitant le signal en cours. Cette limitation réduit l'efficacité du système, en particulier lors de l'observation de phénomènes astronomiques à haute fréquence. Le mode "ping-pong" permet de remédier à ce problème en utilisant un système à deux mémoires tampons. Pendant qu'une mémoire tampon traite un signal, la seconde est prête à capturer le prochain signal entrant. Ce fonctionnement alterné assure une acquisition continue des données et réduit considérablement le temps mort du système.

 
NectarCAM joue au ping-pong avec les rayons gamma

Figure 2: Nouvelle carte d’électronique frontale de NectarCAM. Les principaux composants de la FEB sont indiqués par des numéros. 1 : Connecteurs gauches par lesquels les signaux électriques provenant de 7 PMT arrivent sur la carte. 2 : Quatre amplificateurs ACTA. 3 : Sept puces NECTAr3. 4 : FPGA. 5 : Connecteur droit, qui sert d'interface mécanique et électrique avec la carte responsable de la formation du déclenchement de premier niveau de la caméra. (crédit : V. Marandon/Irfu/CEA)

NECTAr est une puce développée à l'Irfu, capable de capturer à un taux d'échantillonnage élevé (109 d’échantillons par seconde) le signal analogique délivré par le photomultiplicateur et de le stocker jusqu'à ce qu’un ordre de lecture survienne. Le dispositif est basé sur une structure de mémoire analogique brevetée, qui permet de réduire la consommation d'énergie d'un facteur 100 par rapport aux systèmes courants. Cette structure a été utilisée à l'origine dans la puce SAM, conçue pour lire les données du grand télescope CT5 du réseau H.E.S.S. La puce NECTAr a été développée spécifiquement pour le CTAO dans le cadre d'un projet ANR financé en 2009. C’est une amélioration de la puce SAM qui intègre un convertisseur analogique-numérique, possède une matrice de mémoire quatre fois plus grande que celle de SAM pour faire face à des latences de déclenchement plus longues, et un système de lecture plus rapide qui permet de lire une trame de 60 échantillons en moins de 6 µs. La première version de la puce NECTAr est actuellement utilisée par les quatre caméras des petits télescopes de H.E.S.S. (CT1-4), installées en 2016. L'ajout du mode ping-pong dans la puce NECTAr3 ne modifie pas le temps de lecture du réseau de condensateurs, mais améliore le temps mort de la caméra.

 

La réduction du temps mort avec le mode ping-pong

L'équipe NectarCAM de l'Irfu a effectué une série de tests pour évaluer les performances des nouvelles FEB, en se concentrant particulièrement sur la mesure du temps mort de la caméra. Ces tests ont été effectués dans la chambre noire de l'Irfu, un environnement thermiquement contrôlé et protégé des sources de lumière externes, où les caméras NectarCAM sont qualifiées avant d'être expédiées aux îles Canaries. D'une surface de ~80 m², elle a été spécialement construite pour le projet NectarCAM[1], afin de tester les 9 caméras prévues, avant installation sur le site de La Palma. Pour simuler les sources de lumière sur site, trois sources lumineuses distinctes ont été utilisées : une source lumineuse d'étalonnage pulsée à champ plat (FFCLS), un laser et une source de fond de ciel nocturne (NSB). La FFCLS utilise 13 LED pour fournir un champ uniformément éclairé à la caméra et sert de référence pour identifier et corriger les variations spatiales de la réponse de la caméra. La capture des images produites par cette source permet de détecter et corriger les écarts de sensibilité entre les pixels de la caméra. Le laser est stabilisé en température et est adapté aux mesures de temps précises. Quant à la source NSB, elle reproduit la lumière ambiante naturelle du ciel nocturne. Les trois sources ont été utilisées pour éclairer la caméra de manière aléatoire en temps, en utilisant pour les deux premières un générateur de déclenchement aléatoire externe.

Au cours de ces tests, on a enregistré le nombre de fois où la caméra a reçu des pulses (Ncollected), ainsi que les cas où la caméra n’a pas pu acquérir de nouveaux signaux lumineux parce qu'elle était déjà occupée à numériser un autre signal (Nbusy). La comparaison de ces deux taux a permis d'obtenir une estimation de la fraction de temps mort, qui indique l'état de "mort" de la caméra, la rendant incapable d'enregistrer un signal.

Une deuxième méthode a été employée pour estimer la fraction de temps mort. Lorsqu'un signal est enregistré par la caméra, un événement est créé et un horodatage lui est associé. Étant donné la nature aléatoire de l'émission de lumière, la distribution de la différence de temps entre des événements consécutifs ressemble à une distribution exponentielle. Cette distribution a été ajustée à l'aide d'un modèle exponentiel tronqué, dont les paramètres comprennent le temps mort minimum (δmin) et le taux exponentiel (R). Le temps mort minimum correspond à l'intervalle le plus court entre deux événements, donné par la lecture de la puce NECTAr, soit environ 700 ns, tandis que le taux exponentiel reflète le taux d'enregistrement des événements. La fraction de temps mort, dans ce cas, est déterminée en multipliant le temps mort minimum par le taux.

La Figure 3 illustre les principales mesures du temps mort. Les données obtenues avec la nouvelle FEB sont représentées par des lignes de couleur, contrastant avec les lignes grises montrant les données de la précédente FEB (v5). Les mesures associées à différentes sources de lumière sont représentées par des couleurs différentes. Les lignes continues et les zones colorées représentent les deux méthodes adoptées pour calculer la fraction de temps mort. Ces résultats démontrent que le mode ping-pong réduit la fraction de temps mort de la NectarCAM à 0,5% lorsque celle-ci acquiert des données au taux nominal de 7 kHz, réalisant une diminution du temps mort d’un facteur 10.

[1] La construction de la chambre noire a été partiellement financée par une subvention du DIM ACAV.

 
NectarCAM joue au ping-pong avec les rayons gamma

Figure 3: Fraction de temps mort pour les nouvelles FEB (en couleur) et les anciennes FEB v5 (en gris). La fraction de temps mort, estimée par le rapport entre le taux de déclenchement « busy » et le taux de déclenchement total (zone remplie) est comparée à celle obtenue à partir d’un ajustement exponentiel (points et ligne continue). Les trois sources utilisées ont été représentées : le FFCLS (en orange), la source laser (en violet) et la source NSB (en bleu).

Grâce au travail des ingénieurs et des chercheurs de l'Irfu, et à l’aide de leurs collègues du CNRS et de laboratoires espagnols et allemands, la caméra NectarCAM est maintenant entièrement assemblée sur le banc d'essai de l'Irfu. D'importants tests sont en cours pour vérifier ses performances et s'assurer qu'elle est prête à être installée sur place pour capturer les données du ciel. Parmi ces tests figure la validation de la nouvelle version de la puce NECTAr, mise au point à l'Irfu. La conception et la validation de cette puce innovante représentent une étape importante pour NectarCAM et le CTAO. Grâce à l’amélioration des performances de NectarCAM, nous sommes équipés pour capturer les phénomènes transitoires du cosmos à une fréquence plus élevée et des énergies plus faibles. Grâce à cela, nous serons en mesure de découvrir de nouveaux secrets de l'Univers, d'ouvrir de nouvelles possibilités de découverte et de comprendre le cosmos d'une manière que nous n'aurions jamais imaginée.

Les prochaines étapes consistent à monter la première caméra sur un télescope de taille moyenne (MST) au site de La Palma, fin 2025, à valider ses performances et démarrer les observations, et, parallèlement, à lancer la production et l'intégration des huit caméras restantes fin 2024. Rendez-vous en 2025 pour commencer à explorer l'Univers avec le nouvel œil de NectarCAM. Le prochain chapitre de l'exploration cosmique à très haute énergie vient de commencer, et il promet d’être plus lumineux et plus clair que jamais !

Contacts : F. Bradascio, E. Delagnes, J.F. Glicenstein

 
#5266 - Màj : 13/06/2024

 

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