2 ETUDE COMPARATIVE D’ ELECTRONIQUES DE MESURE
2.2 Fonctionnement qualitatif
Ces différentes électroniques vont maintenant être associées sous forme de chaîne de mesure (i.e. amplificateur + codeur + analyseur) afin d’ étudier leur comportement qualitatif et quantitatif. A partir d’ un détecteur coaxial d’ efficacité relative 15%, les configurations suivantes sont considérées :
- amplificateur 2026 + carte PCA3-8K (soit la chaîne de mesure de base utilisée jusqu’ alors), - amplificateur 2026 + carte MP2,
- amplificateur 2024 + carte MP2,
- système numérique DSP + carte PCA3-8K (seulement l’ étage d’ analyseur multicanaux).
Chacune de ces configurations est successivement connectée et caractérisée en fonction des différents réglages disponibles.
2.2.1 Pôle zéro
Avant toute étude sur les paramètres de gain et de constante d’ intégration, il est nécessaire de réaliser un ajustement du PZ (Pôle Zéro) pour les corrections de remise à zéro du signal généré par l’ amplificateur. En effet, le circuit dérivateur-intégrateur CR-RC utilisé par l’ amplificateur fait apparaître un écart à la ligne de base qui tend vers zéro avec une constante de temps identique au shaping time. Une résistance, placée en parallèle de la capacité du circuit dérivateur, peut être ajustée pour compenser ce phénomène qui conduit à une déformation de l’ aspect gaussien des pics (Fig. 22).
Fig. 22 : allure des pics du spectre, dans le cas d’ une sous-compensation du PZ (à gauche) et d’ une compensation correcte du PZ (à droite)
Sur les systèmes analogiques, cet ajustement est réalisé à partir d’ une vis mécanique. Un contrôle à l’ oscilloscope est réalisé pour ajuster au mieux le retour de la ligne de base. Pour les chaînes de mesure utilisant un amplificateur analogique, le réglage du PZ doit être vérifié et réajusté après toute modification des paramètres de mise en forme du signal (gain et shaping time).
Le DSP dispose quant à lui d’ un réglage digital avec une plage de 0 à 4095 qui autorise un ajustement plus fin et plus reproductible. De plus, il s’ avère que pour ce système, le réglage du PZ est pratiquement insensible aux modifications des constantes de mise en forme et de gain, ce qui le rend plus souple d’ utilisation.
2.2.2 Gain de l’ amplificateur
Il s’ agit maintenant d’ évaluer, pour une constante de mise en forme fixée (2 µs), l’ influence du gain sur chaque chaîne de mesure, en terme de temps mort et de résolution en énergie. Une source de cobalt 60, dont on étudie la raie à 1173.2 keV, est placée sur le banc de mesure. La distance est adaptée pour que le taux de comptage en entrée de la chaîne de mesure (ICR) soit d’ environ 3×103 s-1. On identifie alors les comportements suivants (Fig. 23) :
- la résolution en énergie est améliorée (réduction de la LTMH d’ un facteur 1.4 à 2), car l’ augmentation du gain améliore le rapport signal sur bruit électronique. On note également qu’ à gain identique, la meilleure résolution est obtenue pour la chaîne DSP+PCA3.
- le temps mort est proportionnel au gain pour la chaîne 2026+PCA3 qui utilise un codeur Wilkinson. En effet, le temps de décharge du condensateur, qui permet de réaliser la conversion analogique/numérique, est proportionnel à l’ amplitude du signal et donc au gain de l’ amplificateur. En revanche, pour les chaînes MP2 et DSP qui utilisent un codeur à poids, le temps de conversion est fixe et le temps mort est pratiquement constant en fonction du gain.
1,6 2,0 2,4 2,8 3,2 3,6 4,0 4,4
2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20
Gain de l'amplificateur
LTMH (keV)
2026+PCA3 2026+MP2 2024+MP2 DSP+PCA3
0%
2%
4%
6%
8%
10%
12%
14%
2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20
Gain de l'amplificateur
Temps mort
2026+PCA3 2026+MP2 2024+MP2 DSP+PCA3
Fig. 23 : influence du gain sur la résolution (à gauche) et sur le temps mort (à droite)
2.2.3 Constantes de temps
En retenant une valeur de gain de 10 qui permet un bon compromis entre la résolution et le temps mort, chaque électronique est ensuite caractérisée en fonction de la constante de temps pour la mise en forme du signal. En se basant sur la même approche expérimentale qu’ au §2.2.2, on observe, pour les trois chaînes utilisant des amplificateurs analogiques (Fig. 24), que :
- la résolution en énergie est fortement dégradée pour des shaping times inférieurs à 2 µs. En effet, l’ utilisation de valeurs plus courtes conduit à une réduction de la capacité de filtration du bruit et à l’ apparition d’ effets balistiques liés aux défauts de collection de charges.
- le taux de temps mort évolue proportionnellement au shaping time car la durée que met l’ étage d’ entrée du codeur pour lire le signal et le comparer aux niveaux bas (LLD) et haut (HLD) est de l’ ordre de 2.6 fois la constante d’ intégration de l’ amplificateur [15].
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Shaping time (µs)
LTMH (kev)
2026+PCA3 2026+MP2 2024+MP2
0%
3%
6%
9%
12%
15%
18%
21%
24%
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Shaping time (µs)
Temps mort
2026+PCA3 2026+MP2 2024+MP2
Fig. 24 : influence du shaping time sur la résolution (à gauche) et sur le temps mort (à droite) pour les chaînes de mesure utilisant un amplificateur analogique
L’ influence des deux paramètres de mise en forme du DSP sur le comportement de la chaîne de mesure se présente comme suit (Fig. 25 et Fig. 26) :
- La résolution en énergie dépend presque exclusivement du rise time. Contrairement aux deux systèmes analogiques précédents, la résolution reste excellente avec des temps d’ intégration courts : la comparaison des résolutions obtenues à 12 µs et à 0.5 µs montre une dégradation d’ un facteur 1.6 pour le DSP et d’ un facteur 5 à 10 pour les amplificateurs 2024 et 2026. Le temps de plateau est quant à lui utilisé pour s’ affranchir des défauts balistiques. Un réglage à la valeur de 0.8 µs permet un bon compromis entre la capacité de traitement et la résolution.
- Le temps mort évolue de façon proportionnelle aux deux constantes de mise en forme. On remarque également que le traitement réalisé par le DSP conduit, pour une constante de mise en forme équivalente21 à celle utilisée sur des systèmes analogiques, à un temps mort de l’ électronique plus faible.
1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Rise Time (µs)
LTMH (kev)
0%
1%
2%
3%
4%
5%
6%
7%
8%
9%
10%
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Rise Time (µs)
Temps mort
Fig. 25 : influence du rise time du DSP sur la résolution (à gauche) et le temps mort (à droite)
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0
0 0,4 0,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3,2 Flat Top (µs)
LTMH (kev)
1,0%
1,2%
1,4%
1,6%
1,8%
2,0%
2,2%
2,4%
2,6%
2,8%
3,0%
0 0,4 0,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3,2 Flat Top (µs)
Temps mort
Fig. 26 : influence du flat top du DSP sur la résolution (à gauche) et le temps mort (à droite)
2.2.4 Synthèse des réglages de forme
Pour les mesures réalisées sur les réacteurs EOLE et MINERVE, les taux de comptage en entrée de la chaîne de mesure peuvent atteindre 105 s-1. Dans ces conditions, un fonctionnement à faible constante d’ intégration est nécessaire. Cependant, la complexité des spectres de produits de fission impose une résolution optimale pour permettre une séparation précise de pics proches.
A l’ issu de cette étude sur le comportement de chaque électronique, le meilleur compromis, selon qu’ on privilégie la résolution ou la capacité de traitement, est obtenu pour les réglages suivants :
shaping time ou RT / FT Chaîne de mesure Gain Capacité de
traitement optimale
Résolution en énergie optimale
2026+PCA3 10 2 µs 4 µs
2026+MP2 10 2 µs 4 µs
2024+MP2 10 2 µs 4 µs
DSP+PCA3 10 1.2 µs / 0.8 µs 4.8 µs / 0.8 µs
Tab. 1 : synthèse des réglages de forme optimums