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Etude du bruit électronique et des seuils en énergie mesurés pendant la

recette de 11 XRDPIX présérie

Ref : ECL-SN-1152-373-IRAP EDMS : Ed. : 1 Rev. : 0 Date: 25/10/13 Page : 1/30

Etude du bruit électronique et des seuils en énergie mesurés pendant la recette de 11 XRDPIX présérie

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J.L. ATTEIA

O. GODET

K. LACOMBE

Concerned Models BBM1 BBM2 STM EQM FM FS All

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R. PONS Chef de Projet DPIX 06/11/13

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Keywords

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RD Title Reference Version 1 Calcul du seuil bas des pixels du DPIX ECL-SN-11112-353-IRAP 1.0

List of Abbreviations




- Table of Contents - 1. CONTEXTE ...............................................................................................................................................................4

1.1. DEFINITIONS (SEUIL ET BRUIT)..............................................................................................................................4 1.2. DEFINITION DU TEST2...........................................................................................................................................5 1.3. DEFINITION DU TEST4...........................................................................................................................................5

2. MESURE DU SIGNAL D’OBSCURITE AVEC TEST4 .......................................................................................6 2.1. MESURE DU SIGNAL D’OBSCURITE ........................................................................................................................6 2.2. PEAKING TIME = 4.4 ΜS, HT=-400V .....................................................................................................................7 2.3. PEAKING TIME = 2.6 ΜS, HT=-400V.....................................................................................................................8 2.4. COMPARAISON DU SEUIL BAS INSTRUMENTAL MESURE AUX PEAKING TIMES 4.4 ΜS ET 2.6 ΜS..........................10 2.5. DISCUSSION.........................................................................................................................................................11

3. MESURE DES SEUILS ELECTRONIQUES AVEC TEST2 .............................................................................12 3.1. MESURE DU SEUIL ELECTRONIQUE......................................................................................................................12 3.2. PEAKING TIME = 4.4 ΜS ......................................................................................................................................13 3.3. PEAKING TIME = 2.6 ΜS ......................................................................................................................................14 3.4. DISCUSSION.........................................................................................................................................................14

4. RELATION BRUIT – FWHM (14 keV)................................................................................................................16 5. RELATION FWHM (14 keV) – FWHM (60 keV)................................................................................................17 6. IMPACT DE LA TENSION DE POLARISATION .............................................................................................17 7. CONCLUSIONS ......................................................................................................................................................19

7.1. CONCLUSIONS POUR LA RECETTE........................................................................................................................19 7.2. CONCLUSIONS POUR LE VOL................................................................................................................................19

8. ACTIONS..................................................................................................................................................................20 9. ANNEXE 1 -- TABLES ...........................................................................................................................................21 10. ANNEXE 2 – SPECTRES DES VOIES NON ANALYSEES ............................................................................23 11. ANNEXE 3 – SPECTRES MESURES EN TEST4 ET EN TEST2 ...................................................................24 12. ANNEXE 4 – SPECTRES DU MODULE XR3N007 AVEC DES PROBLEMES DE GAIN.........................26 13. ANNEXE 5 – COMMENTAIRES D’OLIVIER GODET..................................................................................27




1. CONTEXTE Les résultats présentés ici portent sur l’analyse de 11 modules XRDPIX (XR3N001 à XR3N011) ; ils sont basés sur les mesures réalisées à l’IRAP pendant la recette des modules XRDPIX. Le tableau à la fin de l’annexe 1 résume la qualité des 11 modules testés (en bleu très bons – en noir corrects – en rouge à éviter). La recette des 11 premiers modules XRDPIX a permis la mesure du signal d’obscurité des 352 détecteurs montés sur ces modules et la mesure des seuils bas fournis par la procédure standard appelée Test2 (décrite ci-dessous et dans le document 331-MM_Reunion_interne_IRAP_080213). Il est important de noter que la procédure Test2 n’est pas forcément celle qui fournit les seuils électroniques les plus bas (voir la section suivante pour la définition du seuil électronique). Il faut donc considérer les mesures données ici comme indicatives des performances des détecteurs montés sur les modules XRDPIX ; il est probable que ces performances pourront être améliorées par l’utilisation de réglages optimisés de l’ASIC et de la haute tension (HT). Il faut noter que les mesures présentées ici sont préliminaires, elles ont été obtenues avec un logiciel d’analyse ad’hoc et devront être vérifiées avec les outils d’analyse standard de la mission. Les données utilisées dans ce document (mesures de la relation canal-énergie, des bruits, des seuils et de la FWHM – Full Width at Half Maximum) sont à disposition de ceux qui le souhaitent pour faire des analyses complémentaires ou concurrentes. Enfin, les taux de comptages (intégrés et dans les raies) ne sont pas analysés ici, par suite d’un problème de déclenchement intempestif des voies 8 et 16, qui affecte les taux de comptages de toutes les voies (cf. ECL-TN-1111-368-IRAP). Finalement, si ce document identifie quelques problèmes ou questions à résoudre, il n’a pas pour objectif de proposer pas des explications ou des solutions. Il n’aborde pas non plus la question de la configuration optimale à utiliser en vol pour obtenir les meilleures performances en terme de seuil bas. Ces questions feront l’objet de documents spécifiques, elles sont aussi au cœur de la thèse de G. Nasser.

1.1. Définitions (seuil et bruit) Dans tout ce document nous utiliserons souvent les termes de signal d’obscurité, de seuil et de consigne de seuil. Les définitions de ces termes sont données ci-dessous : 1) La consigne de seuil est un nombre compris entre 0 et 63 qui définit le niveau en mV pour le

déclenchement de l’ASIC. - Une valeur de 63 interdit tout déclenchement. - La correspondance entre la consigne de seuil (0 à 63) et le seuil instrumental en keV dépend

des valeurs de la HT (qui agit sur l’amplitude du signal reçu) et de certains paramètres de la configuration ASIC (Tpk par ex.). L’étalonnage des détecteurs permet de mesurer cette correspondance.

2) Le seuil électronique (en mV) est défini comme le niveau au-dessus duquel un signal

déclenche l’ASIC.




3) Le seuil bas instrumental (en keV) est défini dans ce document uniquement, comme

l’énergie au-dessus de laquelle le signal d’obscurité (voir ci-dessous) représente moins de 10% du fond diffus attendu autour de 4 keV (RD1). Une définition « officielle » du seuil bas pour ECLAIRs sera donnée par le Science Team avant la PDR. Le seuil bas varie avec le détecteur considéré.

4) Le seuil physique en keV est défini comme l’énergie au-dessus de laquelle 50% des photons

atteignent les détecteurs. Le seuil physique est déterminé par les matériaux situés devant les détecteurs, comme les électrodes ou la couverture thermique.

5) Le seuil scientifique en keV est une valeur définie pour l’instrument ECLAIRs, qui est telle

que 90-95% (AC par le Science Team avant la PDR) des détecteurs ont un seuil bas instrumental inférieur à cette valeur.

6) Le signal d’obscurité est constitué des signaux qui ne sont pas dus à la détection d’un photon

ou d’une particule chargée par l’un des 32 détecteurs d’un module XRDPIX. Le signal d’obscurité est attribué aux fluctuations du courant de fuite des détecteurs et à la chaine électronique. Le signal d’obscurité apparaît comme une brusque remontée du taux de comptage aux faibles énergies qui peut être ajusté par une loi normale. Cependant, seule la partie au-dessus du seuil électronique peut être vue. Le courant d’obscurité est aussi associé à un élargissement des raies spectrales (augmentation de la FWHM). Lorsqu’un module XRDPIX est bien réglé, le signal d’obscurité est limité aux signaux de très bas niveau (en mV) qui correspondent à des énergies faibles. Le réglage des seuils bas des 32 voies permet d’ajuster le seuil de déclenchement de l’ASIC à un niveau tel que le signal d’obscurité ne déclenche que rarement celui-ci et qu’il n’introduise qu’un petit nombre de coups dans les canaux à basse énergie qui soit compatible avec le fonctionnement nominal de l’instrument.

1.2. Définition du Test2 Le Test2 consiste à faire une mesure du spectre d’une source de 241Am avec les 32 modules XRDPIX fonctionnant en parallèle (fonctionnement nominal) et configurés comme suit :

- Détecteurs polarisés par une Haute Tension comprise entre -300V et -600V - Durée de la mesure = 1800 sec - Configuration ASIC : RSM=1, Tpk = 2.6 µs ou 4.4 µs - Consignes des seuils ajustées automatiquement à SA+6, où SA est le "seuil auto" trouvé par

la procédure automatique de mesure du bruit (voir les rapports de recette des modules XRDPIX, par ex. 311-TR_XRDPIX_XRv2N°5_Comp285-V1.0.pdf). Cette procédure garantit la plupart du temps un signal d’obscurité compatible avec le bon fonctionnement de l’instrument

1.3. Définition du Test4 Le Test4 consiste à faire une mesure du signal d’obscurité de chaque voie individuelle (les autres voies ayant un seuil fixé à 63) en envoyant une consigne de seuil suffisamment basse pour voir le signal d’obscurité (limitation du taux de coups permis sur une voie à ~400 c/s) et en faisant un




spectre sans source pour chaque voie. La durée d'acquisition est définie automatiquement pour faire en sorte que le nombre total de coups soit égal à 104. Ce test permet de mesurer le seuil bas de chaque voie en l'absence de perturbation inter-voie. Il permet ainsi de mesurer la performance ultime de chaque voie. [Remarque OG : dans la première version du Test4 (i.e. pour les 11 premiers XRDPIX), il y a un problème avec le temps de pose des acquisitions. Le temps de pose défini n'est correct que pour la voie 31. Les autres temps de pose étant écrasés par la dernière valeur pour la voie 31. Cela pourrait introduire une incertitude dans les estimations de seuils a la section 2. Cela a été corrigé par Wilfried dans le Test4 qui sera fait sur les XRDPIX restants.] 2. MESURE DU SIGNAL D’OBSCURITE AVEC TEST4

2.1. Mesure du signal d’obscurité Le signal d’obscurité est mesuré pour chaque détecteur, en configuration Test4. La mesure du niveau du signal d’obscurité est décrite dans le document "Calcul du seuil bas des pixels du DPIX" (RD1). Dans ce document et en règle générale on fait l’hypothèse que la relation canal-énergie ne change pas entre le Test2 et le Test4 et, après avoir mesuré le niveau du bruit en canaux avec le Test4, on applique la relation canal-énergie mesurée au Test2 pour transformer ces canaux en keV. [Commentaire OG : pour une configuration donnée, le gain ne doit pas changer entre 2 tests. La stabilité du gain dans le temps a été vérifiée par ailleurs.] La figure ci-dessous montre l’ajustement du signal d’obscurité par une courbe de Gauss pour la voie 13 du module XR3N009. Les points rouges correspondent aux mesures et la courbe verte à l’ajustement. Le seuil bas (en canal) est obtenu par l’intersection de la courbe verte avec le niveau indiqué en bleu qui correspond à 10% du fond diffus attendu autour de 5 keV (RD1), soit environ 5 10-3 ct/pix/sec. Il est ensuite converti en keV par l’application de la relation canal-énergie mesurée en Test2. Les ajustements ont été vérifiés visuellement pour toutes les valeurs des seuils bas données dans ce rapport. Note : les figures qui suivent montrent le seuil bas en keV mesuré selon la procédure indiquée ci-dessus. Les légendes indiquent une mesure du bruit (‘Noise’), alors qu’il s’agit plutôt d’un calcul du seuil bas (‘Threshold’) obtenu à partir de l’ajustement du signal d’obscurité. Comme il s’agit d’un rapport à usage interne, nous n’avons pas modifié la légende des figures.




2.2. Peaking time = 4.4 µs, HT=-400V L’histogramme (à gauche) montre la distribution du seuil bas instrumental mesuré en Test4 avec Tpk = 4.4 µs. Il permet de voir que 94 % des voies qui constituent les 11 XRDPIX analysés (soit 331 voies sur 352) ont un seuil bas qui reste en-dessous de 4 keV. Cette proportion monte à 96,9% si on considère les huit modules les meilleurs de ce point de vue (XR3N002, XR3N004, XR3N005, XR3N006, XR3N008, XR3N009, XR3N010, XR3N011) qui ont 248 voies sur 256 avec un seuil bas inférieur à 4 keV. Les deux points à zéro correspondent d’une part à un spectre avec un problème d’acquisition (XR3N001/RUN2, voie 4) qui a toutes les valeurs à zéro et d’autre part à un spectre avec un gain très différent des autres (XR3N007/RUN1 voie 27 – voir annexe 4).

La figure de droite montre la médiane des 11 mesures du seuil bas pour chacune des 32 voies (en bleu), les voies les plus bruyantes sont les voies 9 et 17, sans qu’il soit possible de dire à ce stade si le niveau de bruit de ces voies est significativement différent de celui des autres voies. Les astérisques rouges montrent le nombre de mesures qui dépassent 4 keV. Les points à zéro indiquent que les voies en question ont un seuil bas inférieur à 4 keV sur tous les 11 modules testés.




[Commentaire OG : Il serait intéressant (et important) de relier les valeurs du seuil bas instrumental mesurées ici avec le courant de fuite des détecteurs et les bruits ENC de l'ASIC. Cela permettrait de voir l'influence de ces 2 sources de bruit sur le pic de bruit et quelle composante de bruit domine.] [Question OG : est-ce que tous les pics de bruits dans le Test4 que tu as ajustés ont l'allure d'une Gaussienne ?? Les valeurs de seuil autour de 10 keV (cf. Figure Section 3.1) m'interpellent. Réponse JLA : Oui, l’ajustement par une Gaussienne est correct, y compris pour les valeurs élevées du bruit.] [Question OG : Le problème de gain sur les 2 voies de XRDPIX7 n'apparait que dans une configuration (RUN1) ou est-ce qu'il persiste a un autre Tp/HT ?? Réponse JLA : Le problème de gain persiste aux autres valeurs de HT et Tpk]

2.3. Peaking time = 2.6 µs, HT=-400V L’histogramme (à gauche) montre la distribution du seuil bas instrumental mesuré en Test4 avec Tpk = 2.6 µs. Il permet de voir que 94.8 % des voies qui constituent les 11 modules analysés (soit 334 voies sur 352) ont un seuil bas qui reste en dessous du niveau correspondant à 4 keV. Cette proportion monte à 96,8 % (279 voies sur 288) si on se limite aux 9 modules les meilleurs (tous sauf XR3N003 – XR3N007). Les six points à zéro correspondent d’une part à 3 spectres avec un problème d’acquisition (XR3N001/RUN4, voie 4 – XR3N003/RUN2, voies 11 et 19) dont toutes les valeurs sont à zéro, et d’autre part à 3 spectres avec des gains très différent des autres (XR3N007/RUN2 voies 12, 23, 27 – voir annexe 4). La figure de droite montre la médiane des 11 mesures de seuil bas pour chacune des 32 voies (en bleu), la voie la plus bruyante est la voie 11, sans qu’il soit possible de dire à ce stade si le niveau de bruit de cette voie est significativement différent de celui des autres voies. Les astérisques rouges montrent le nombre de mesures qui dépassent 4 keV. Les points à zéro indiquent que les voies en question ont un seuil bas instrumental inférieur à 4 keV sur tous les 11 modules testés.




[Commentaire OG : La distribution apparaît moins étendue vers les grandes énergies indiquant que la diminution de Tpk a amélioré significativement les voies bruyantes a 4.4 us. Par contre, il semble que pour les voies dont le seuil bas physique était en dessous de 4 keV a 4.4 us, certaines voient leur seuil bas se dégrader indiquant qu'on a dépassé la valeur minimale de l'ENC total, donc que c’est l’ENC ASIC qui domine; ce qui expliquerait le nombre plus grand d'occurrences à 2 pour les astérisques. Le passage 4.4 à 2.6 us bien que dégradant un peu les seuils en général permet donc de récupérer quelques voies bruyantes.]




2.4. Comparaison du seuil bas instrumental mesuré aux peaking times 4.4 µs et 2.6 µs La figure ci-dessous montre le seuil bas mesuré en Test4 à deux valeurs du peaking time, 4.4 µs et 2.6 µs. Elle met clairement en évidence le comportement différent des voies dont le signal d’obscurité est faible et celles pour lesquelles il est élevé. Pour les voies à faible signal d’obscurité (en bas à gauche) on voit que le seuil bas est plus faible avec un peaking time de 4.4 µs (les points sont au-dessus de la ligne diagonale), alors que pour les voies bruyantes (pour un seuil bas mesuré situé au-delà de 3.5 keV environ) c’est l’inverse qui se produit. Cette observation s’explique facilement si l’on suppose que pour les détecteurs peu bruyants c’est l’ASIC qui constitue la source de bruit dominante (l’ASIC a un ENC plus faible pour un peaking time de 4.4 µs), et que pour les détecteurs bruyants c’est le courant de fuite qui constitue la source de bruit dominante. Cette figure montre que l’impact du courant de fuite diminue nettement avec un peaking time de 2,6 µs. Comme c’est le courant de fuite qui détermine le seuil des voies les plus bruyantes, en utilisant un peaking time de 2,6 µs on gagne 6 voies avec un seuil < 4 keV.

[Commentaire OG : il faut raisonner en terme d'ENC total = ENC ASIC + ENC détecteur (courant de fuite). La courbe ENC total vs Tpk passe par un minimum Tpk_min : au-dessus de Tpk_min le courant de fuite domine et en deça c'est le bruit électronique. Le fait que pour certaines voies le seuil bas physique soit plus élevé à 2.6 us qu'à 4.4 us peut aussi être du au fait que le minimum de la courbe ENC total se trouve entre les 2 valeurs de Tpk. cf. Courbe FWHM vs Tpk construite par




Guillaume]

2.5. Discussion Ces résultats préliminaires sont cohérents avec la sélection des détecteurs qui a été opérée à l'IRAP (cf. bilan détecteurs, Remoué et al. 2010) et avec le bas niveau de bruit de l'ASIC (cf. étude de Penquer et al. sur l'estimation attendue des seuils bas). Même si le seuil mesuré en Test4 est représentatif d’un "best case" (puisque l’ASIC gère une seule voie), le niveau du seuil apparaît inférieur à une valeur qui correspond à 4 keV dans 94.8% des cas. Il est probable qu’un réglage fin des paramètres des modules (HT, peaking time…) permettra d’augmenter encore légèrement la fraction de détecteurs qui ont un seuil inférieur à 4 keV.




3. MESURE DES SEUILS ELECTRONIQUES AVEC TEST2

3.1. Mesure du seuil électronique L’énergie du seuil correspondant à la consigne SA+6 (voir section 1.2) est mesurée pour chaque détecteur en configuration Test2. Pour cette mesure, bous avons défini le seuil comme l’énergie en dessous de laquelle les coups ne sont pas détectés. Pour les besoins de la présente analyse, le seuil est modélisé par une fonction erf, montrée en vert dans la figure ci-dessous. La valeur du seuil correspond à l’énergie de la « marche » de la fonction erf. A noter que les coups détectés en dessous du seuil ne sont pour l’instant pas expliqués. La consigne de seuil en Test2 est un réglage empirique obtenu en ajoutant 6 à la consigne de seuil pour laquelle le bruit instrumental devient bien visible. Ce réglage permet de couper le bruit instrumental. Il n’affecte pas la mesure des spectres au-dessus du seuil, mais ne permet pas de fixer le seuil à une énergie programmée à l’avance.




3.2. Peaking time = 4.4 µs L’histogramme (à gauche) montre la distribution des seuils électroniques (SA+6) mesurés en Test2 avec Tpk = 4.4 µs. Il permet de voir que, dans les conditions de la recette, 88,6 % des voies qui constituent les 11 XRDPIX analysés (soit 312 voies sur 352) ont un seuil SA+6 qui se situe en dessous du niveau correspondant à 4 keV. Cette proportion monte à 90,3% (260 voies sur 288) sans les deux modules XR3N003 et XR3N007, qui ont seulement 81% des voies avec un seuil inférieur à 4 keV (52 sur 64). Les barres noires indiquent les voies (au nombre de 9) pour lesquelles la mesure n’a pas pu être réalisée avec le spectre disponible, la liste de ces voies est donnée en Annexe 2. Les barres rouges indiquent des voies pour lesquelles le seuil (en keV) défini par rapport au bruit mesuré en Test4 est supérieur au seuil automatique SA+6 (en keV). La moitié environ de ces voies sont des voies visiblement bruitées, alors que pour l’autre moitié le bruit n’est pas détecté en Test2, ce qui ne signifie pas nécessairement qu’il soit complètement coupé par le seuil (voir exemples en annexe 3).

La figure (à droite) montre la médiane des 11 mesures de seuil pour chacune des 32 voies (en bleu). Les triangles rouges indiquent le nombre de mesures pour lesquelles le seuil en keV se situe en dessous du niveau du bruit mesuré en Test4, pour la moitié de ces voies le bruit à bas niveau est clairement visible en Test2. On peut notre que la voie 8 est toujours dans ce cas (11/11) et la voie 16 l’est souvent (5/11).




3.3. Peaking time = 2.6 µs L’histogramme (à gauche) montre la distribution des seuils électroniques mesurés en Test2 avec Tpk = 2.6 µs. Il permet de voir que, dans les conditions de la recette, 92,9 % des voies qui constituent les 11 XRDPIX analysés (soit 327 voies sur 352) ont un seuil électronique qui reste en dessous du niveau correspondant à 4 keV. Cette proportion monte à 95,1 % (274 voies sur 288) sans les deux modules : XR3N003 et XR3N007, qui ont seulement 83% des voies avec un seuil inférieur à 4 keV (53 sur 64). Les barres noires indiquent les voies pour lesquelles la mesure n’a pas pu être réalisée avec le spectre disponible. Les barres rouges indiquent des voies pour lesquelles le seuil (en keV) défini par rapport au bruit mesuré en Test4 est supérieur au seuil automatique SA+6 (en keV). Le quart environ de ces voies sont des voies visiblement bruitées, alors que pour les autres le bruit n’est pas détecté en Test2, ce qui ne signifie pas nécessairement qu’il soit complètement coupé par le seuil (voir exemples en annexe 3). La figure (à droite) montre la médiane des 11 mesures de seuil pour chacune des 32 voies (en bleu), mesurées dans les conditions de la recette. Les triangles rouges indiquent le nombre de mesures pour lesquelles le seuil en keV se situe en dessous du niveau du bruit mesuré en Test4, pour le quart de ces voies le bruit à bas niveau est clairement visible en Test2. La voie 8 est souvent dans ce cas (7/11) et la voie 16 ne montre plus ce comportement au Tpk considéré.

Note : les 5 voies suivantes ne sont pas prises en compte dans l’analyse car trop bruitées : XR3N007/RUN2[12-17-23-27] – XR3N008/RUN2[01]. Ce sont ces voies qui sont indiquées comme « 5 Voies non exploitables Tpk = 2.6 » dans les figures qui suivent.

3.4. Discussion Ces mesures montrent que les performances restent tout à fait acceptables lorsqu’on fait fonctionner ensemble les 32 détecteurs d’un module avec une électronique de laboratoire représentative de l’électronique de vol. En « sélectionnant » 9 modules sur 11, on arrive à 95% des voies qui ont un seuil inférieur à 4 keV, sans même avoir optimisé la configuration de fonctionnement (réglage des consignes de seuil, des valeurs des HT, du peaking time…). Il faut aussi remarquer que la procédure de réglage automatique des seuils fonctionne plutôt bien, puisque les seuils ainsi réglés sont au-




dessus du bruit électronique à de rares exceptions près et qu’ils sont pour leur majorité en dessous de 4 keV, comme demandé. Ceci est illustré par les deux figures ci-dessous qui comparent la valeur du bruit instrumental mesuré en Test4 (en abcisse) avec le seuil électronique utilisé pendant la recette en Test2 (en ordonnée), à gauche pour un peaking time = 4.4 µs, et à droite pour un peaking time égal à 2.6 µs. Les deux figures montrent d’une part que les seuils utilisés sont en général au-dessus du seuil bas instrumental puisque les points sont situés au-dessus de la ligne diagonale. Les exceptions en rouge sont rares. Les voies en rouge ne montrent pas toujours clairement un excès de canaux bruyants à basse énergie, il est probable que dans certains cas le bruit soit considéré comme significatif en Test4, alors même qu’il est trop faible pour être détecté pendant la recette en Test2. Il serait intéressant de tester cette hypothèse avec des mesures de type Test2 sans source de longue durée sur quelques unes des voies concernées (voir les actions en section 7). Quelques voies sont inexploitables, leur nombre est indiqué au sommet du cadre (9 pour Tpk=4.4 et 5 pour Tpk=2.6, respectivement).

[Question OG : combien y a-t-il de voies pour lesquelles le pic de bruit est visible dans le Test2 alors que le seuil bas physique mesuré est bien plus bas ??? c'est pas très clair au dessus.] [Rep. JLA (en gras les voies qui montrent du bruit aux deux valeurs de peaking time) : pour Tpk = 4.4 , il s’agit de XR3N001/RUN2[7-10-16] – XR3N002/RUN1[1-9-21-28] – XR3N003/RUN1[2-6-22-28-30] – XR3N004/RUN1[16-21-28-31] – XR3N005/RUN1[16] – XR3N007/RUN1[8,16] – XR3N008/RUN1[9-22] – XR3N009/RUN1[9] – XR3N011/RUN1[16-26] pour Tpk = 2.6, il s’agit de XR3N001/RUN4[21] – XR3N003/RUN2/[2-27-28] – XR3N004/RUN2[26-31] – XR3N006/RUN2[19] – XR3N007/RUN2[8] – XR3N008/RUN2[22] – XR3N009/RUN2[9]




4. RELATION BRUIT – FWHM (14 keV) Le bruit électronique mesuré à bas niveau provoque aussi un élargissement des raies spectrales en ajoutant une composante aléatoire au signal mesuré par l’ASIC, il est donc judicieux de comparer le bruit instrumental mesuré en Test4 avec la largeur de la raie à 13.95 keV de 241Am mesurée en Test2 par sa FWHM (Full Width at Half Maximum). Cette comparaison est faite dans les deux figures ci-dessous qui montrent bien une certaine corrélation entre les deux grandeurs. Les points rouges représentent les voies pour lesquelles on voit le bruit à bas niveau en Test2. Les points cyan (bleu clair, si vous préférez) représentent les voies pour lesquelles le niveau du seuil en Test2 est inférieur au niveau du bruit mesuré en Test4 (voir section précédente).




5. RELATION FWHM (14 keV) – FWHM (60 keV) Dans le même ordre d’idée, il peut être intéressant de comparer la FWHM mesurée pour les deux pics à 13,95 keV et celui à 59,6 keV de la source d’Américium 241. La figure ci-dessous montre que les deux mesures sont bien corrélées et qu’il est donc possible d’utiliser indifféremment l’une ou l’autre quantité dans les analyses qui utilisent une mesure de la FWHM (à noter toutefois que le pic à 60 keV étant asymétrique, il faut faire l’ajustement sur la partie droite de la raie uniquement si l’on veut obtenir une valeur fiable).

[Question OG : Quelle est ta barre d'erreur moyenne sur les paramètres que tu montres ? Réponse JLA : Le programme que j’utilise ne calcule pas les incertitudes sur les paramètres mesurés, la dispersion des points dans le paquet principal donne une idée de la taille typique des barres d’erreur] 6. IMPACT DE LA TENSION DE POLARISATION L’histogramme de gauche montre la distribution du bruit mesuré en Test4 avec Tpk = 4.4 µs et HT = -400V. L’histogramme de droite montre la distribution du bruit mesuré Test4 avec Tpk = 4.4 µs et HT = -300V. Ces figures montrent que, dans les conditions de la recette et pour une tension de polarisation HT = -400V, 89,0 % des voies des 2 XRDPIX analysés (soit 57 voies sur 64) ont un bruit électronique inférieur à 4 keV, avec une valeur médiane de 2.05 keV. Cette proportion monte




à 95,3 % (61 voies sur 64) pour une valeur de tension de polarisation HT = -300V, avec une valeur médiane de 2.02 keV. Il faut noter que les deux modules utilisés dans cette section sont XR3N004 et XR3N007, qui est le module le moins performant parmi les 11 modules testés. Ceci explique pourquoi la proportion de voies avec un bruit < 4 keV est seulement 89,0 % ici, contre 94,0 % pour l’ensemble des 11 modules (testés dans les mêmes conditions). La figure sous les histogrammes montre les seuils mesurés avec une HT = -300V en fonction des seuils mesurés avec une HT = -400V. Elle montre que le courant de fuite des voies les plus bruyantes est fortement réduit par l’utilisation d’une valeur de tension de polarisation HT = -300V. Pour les deux modules considérés, l’impact du changement de la tension de polarisation est plus important que celui du peaking time, puisque le nombre de voies avec un bruit




7. CONCLUSIONS

7.1. Conclusions pour la recette Les résultats obtenus à partir des spectres mesurés pendant la recette des modules XRDPIX montrent que la grande majorité des voies (95%) présentent les performances attendues lorsqu’elles sont traitées avec une électronique de laboratoire. C’est une constatation très encourageante dans la mesure où les tests de recette n’ont pas mesuré les performances des modules XRDPIX dans leur configuration optimale. Les résultats obtenus montrent le comportement attendu des modules XRDPIX. Ils mettent en évidence quelques voies bruyantes, avec un bruit à bas niveau qui impose de fixer un seuil supérieur à 4 keV. Ils montrent aussi que l’impact du bruit à bas niveau est fortement diminué par un peaking time plus faible ou par une réduction de la tension de polarisation (ce qui est attendu si l’origine de ce bruit est liée au courant de fuite des détecteurs). Ces deux paramètres ont d’autres impacts et il est trop tôt pour choisir la configuration optimale de fonctionnement des modules. Un résultat curieux est l’existence de voies qui apparaissent plus bruyantes en Test2 qu’en Test4. Ce constat a aussi été fait lors d’essais plus approfondis des modules XRDPIX (voir la thèse de Guillaume), il semble lié à des instabilités dont la nature n’est pas encore bien comprise. Dans ce contexte une limitation de l’analyse présentée ici est liée à la durée relativement courte des mesures (typiquement 30 minutes pour chaque test), qui ne permet pas d’évaluer les changements de performance au cours du temps.

7.2. Conclusions pour le vol Il est difficile d’extrapoler les performances en vol à partir des mesures présentées ici, pour diverses raisons : • On ne sait pas dans quelle mesure le bruit instrumental mesuré au sol (Test4) est représentatif de

celui qui sera obtenu en vol (si ce n’est que le bruit mesuré ainsi est un « best case »). • Les seuils mesurés en Test2 le sont dans des conditions plus proches du fonctionnement

nominal, puisque les 32 détecteurs fonctionnent simultanément (avec une électronique de laboratoire), même si les seuils et les taux de comptage sont différents de ceux attendus en vol. La source de 241Am fournit environ 0.19 ct/keV/sec/pix (6 ct/canal/pix/1800sec) autour de 5 keV, soit environ 4 fois plus que le taux de comptage attendu en vol (~0.048 ct/keV/sec/pix). Ce taux de comptage est trop élevé pour détecter la présence de signal d’obscurité à des niveaux qui pourraient néanmoins s’avérer gênants en vol. Des essais réalisés sans source sur de longues périodes devraient permettre de mesurer précisément le signal d’obscurité, y compris à des niveaux où il n’est pas gênant pour l’instrument en vol. Ces mesures devront être faites avec le prototype et ensuite avec le modèle de vol.




8. ACTIONS Réaliser une mesure longue (quelques heures) sans source en configuration nominale sur un

« bon » module comme XR3N002 (par exemple), pour voir jusqu’à quelle énergie on voit monter le signal d’obscurité sur chacun des 32 canaux CLOSE, mesures et analyse faites par Guillaume

Comprendre pourquoi les voies XR3N007/12/23/27 ont un gain très différent des autres voies

(voir message JLA du 11/12/13 à 17:24). Ces voies sont considérées comme "non exploitables" dans ce document. Vérifier l’ENC et le gain mesuré sur les CA pour ces voies. OUVERTE

Comprendre l’origine des coups en dessous du seuil bas dans les mesures de type Test2

OUVERTE Adapter les mesures à faire pour la recette des modules XRDPIX pré-série puis série

CLOSE pour les modules pré-série, voir les différentes réunions sur le sujet. OUVERTE pour les modules série




9. ANNEXE 1 -- TABLES HT = –400V

Tpk = 4.4 HT = –400V

Tpk = 2.6

Total number of channels 352 100% 352

100%

Number of unusable channels 9 2,6% 5

1,4% Number of channels with the energy threshold set by the electronic noise

27 7,7%

10 2,8%

Number of channels with the energy threshold set by the electronic noise and < 4 keV

3 0,9%

0 0.0%

Number of channels with the energy threshold set by the threshold command

317 90,1%

337 95.7%

Number of channels with the energy threshold set by the threshold command and < 4 keV

312 88,6%

327 91.0%

Total number of channels with energy threshold < 4 keV 315 89,5% 327

91.0% HT = –400V

Tpk = 4.4 HT = –300V

Tpk = 4.4

Total number of channels 64 100% 64

100%

Number of unusable channels 4 6.3% 3

4.7% Number of channels with the energy threshold set by the electronic noise

6 9.4%

1 (1+0) 1.6%

Number of channels with the energy threshold set by the electronic noise and < 4 keV

0 0.0%

0 0.0%

Number of channels with the energy threshold set by the threshold command

54 84.4%

60 93.8%

Number of channels with the energy threshold set by the threshold command and < 4 keV

53 82.8%

58 90.6%

Total number of channels with energy threshold < 4 keV 53 82.8% 58

90.6%




Tableau 1 : Nombre de voies avec un seuil mesuré < 4keV pendant la recette

Module HT = –400V Tpk = 4.4

HT = –400V Tpk = 2.6

HT = –300V Tpk = 4.4

XR3N001 29 29 XR3N002 27 31 XR3N003 26 27 XR3N004 27 28 31 XR3N005 31 32 XR3N006 28 31 XR3N007 26 26 27 XR3N008 29 29 XR3N009 29 31 XR3N010 31 31 XR3N011 29 32




10. ANNEXE 2 – SPECTRES DES VOIES NON ANALYSEES Tpk = 4.4 microsecondes Test 2 – 9 voies non analysées : • XR3N001/RUN2[21], exemple ci-contre • XR3N003/RUN1[27] • XR3N004/RUN1[26] • XR3N006/RUN1[19] • XR3N007/RUN1[12,17,23,27] • XR3N008/RUN1[1]

Test 4 – 2 voies non analysées : • XR3N001/RUN2[4] • XR3N007/RUN1[27]

Tpk = 2.6 microsecondes Test 2 – 5 voies non analysées : • XR3N007/RUN2[12,17,23,27] • XR3N008/RUN2[1]

Test 4 – 6 voies non analysées : • XR3N001/RUN4[4] • XR3N003/RUN2[11,19] • XR3N007/RUN2[12,23,27]




11. ANNEXE 3 – SPECTRES MESURES EN TEST4 ET EN TEST2 1- Exemple d’un spectre où le seuil utilisé en Test2 (à gauche, durée=900 sec, consigne de seuil=20) ne coupe pas complètement le bruit mesuré en Test4 (à droite, durée=1005 sec, consigne de seuil= ?), voie 7 du module XR3N001/RUN2. Le bruit à bas niveau s’étend même à bien plus haute énergie en Test2, au-delà de 10 keV.

2- Exemple d’un spectre où le seuil utilisé en Test2 (à gauche, durée=900 sec, consigne de seuil=13) coupe presque complètement le bruit mesuré en Test4 (à droite, durée=1005 sec, consigne de seuil= ?), voie 8 du module XR3N001/RUN2. Le bruit à bas niveau est indétectable en Test2.




3- Exemple d’un spectre où le bruit mesuré en Test4 (à droite, durée=1450 sec, consigne de seuil= ?) disparaît dans la mesure en Test2 (à gauche, durée=1800 sec, consigne de seuil=20), voie 8 du module XR3N006/RUN1. Le bruit à bas niveau qui est clairement visible jusqu’à ~8 keV sur la figure de droite est pratiquement invisible sur la figure de gauche. Ce comportement n’a pas reçu d’explication satisfaisante à ce jour, même si on peut probablement associer l’importance du bruit bas niveau en Test4 à l’utilisation d’une consigne trop basse pour le seuil en énergie dans cette configuration (AC).

De ces mesures on peut tirer au moins deux conclusions. La première est que le bruit à bas niveau peut rapidement devenir dominant en Test2 lorsque le seuil n’est pas placé assez haut, comme dans le cas 1. La seconde est que les mesures en Test2 ont des taux de comptages qui sont significativement supérieurs à ceux attendus en vol, elles ne permettent donc pas de voir des niveaux de bruit qui pourraient néanmoins s’avérer gênants en vol.




12. ANNEXE 4 – SPECTRES DU MODULE XR3N007 AVEC DES PROBLEMES DE GAIN Exemples de voies avec des gains anormaux sur le module XR3N007 (RUN 1) :

- Voie 9 : gain normal - Voie 12 : gain divisé par un facteur ~4 - Voie 23 : gain divisé par 5 et coupure des énergies ≤ 20 keV - Voie 27 : gain divisé par un facteur 7-8 et coupure des énergies ≥ 50 keV




13. ANNEXE 5 – COMMENTAIRES D’OLIVIER GODET Les commentaires ci-dessous sont issus d’une lecture attentive du document par Olivier. J’ai pris en compte les remarques factuelles et j’ai copié ici les autres remarques, plus générales sur les performances des modules XRDPIX. p.7 * Section 2.2 Guillaume a a fait des mesures de seuils bas sur plusieurs XRDPIX en prenant son temps; ce qui permet de mieux voir sortir le bruit. Il serait intéressant de comparer vos résultats en prenant la même définition pour le calcul du seuil :) p.9 * Section 3.2 Un truc que Guillaume abordera dans sa thèse c'est de savoir : si les sources de bruit sont dues seulement au bruit de la chaine électronique & au courant de fuite des détecteurs; si les seuils trouves sont compatibles avec les mesures effectuées sur les sous-systèmes de l'XRDPIX (mesures de Ifuite sur CD et ENC sur CA). Section 3.2 Je pense que certaines des voies bruyantes montrent un pic de bruit qui sort sans montrer une vrai élargissement des raies (par ex. celle a 60 keV). Ces voies pour la plupart n'étaient pas bruyantes au Test4. Si c'est le cas, alors il s'agit de voies instables comme Guillaume l'a montré. Ces voies deviennent bruyantes au cours du temps. Leurs taux de coups augmentent soudainement sur des échelles de temps plus ou moins variables. Elles peuvent se calmer et redevenir bruyantes par la suite. Ca se traduit par la sortie d'un "pic de bruit" dont l'intensité varie (cf. une des dernières figures dans mon papier SPIE sur ECLAIRs). La FWHM des raies ne semble être fortement affectée par la sortie de ce "pic de bruit". Ce comportement instable dépend de la HT et du temps de peaking (et de la température si je me rappelle bien). Plus la HT est grande et plus les instabilités arrivent vite. La Figure du bas de la p.15 illustre bien cela pour les seuils très élevés a -400V. La même chose avec le temps de peaking. Le phénomène d'instabilité sur une voie n'apparait pas nécessairement au même moment dans une conf donnée et avec la même importance d'ailleurs. Au dessus d'une HT et/ou d'un temps de peaking donnés, les instabilités se calment sur des échelles de temps de la journée (durée des acquisitions faites par Guillaume). Les instabilités ne sont pas liées a priori au nombre de voies qui parlent ou si la voie est éclairée ou non. On a fait l'expérience avec Guillaume sur une voie instable seule et le phénomène d'instabilité est toujours visible, mais avec des caractéristiques différentes. Le fait qu'on ne les voit pas sur le Test4 c'est probablement parce que les acquisitions dans ce




test sont très courtes en général. Guillaume a aussi étudié ces instabilités avec le géné pour s'affranchir de la réponse des détecteurs. Je ne sais pas ou ca en est. Apres différentes investigations, Guillaume et moi nous ne sommes pas arrives à mettre le doigt sur la/les cause(s) exacte(s) de ces instabilités. On a essaye de circonscrire le problème en tout cas. En tout cas elles sont visibles sur les 3 bancs dont on dispose a l'IRAP même si les voies affectées ne sont pas nécessairement. Guillaume m'a également dit que sur le long terme (après plusieurs dizaines d'heures) les voies instables ont l'air de se calmer. Guillaume a étudié ces comportements et pourrait t'en faire une description plus précise. Il faut définir si c'est un "simple" problème d'interférence/couplage de la chaine électronique et les bancs de tests ou si c'est intrinsèque aux XRDPIX/chaine électronique; ce qui serait plus embêtant. Les tests sur les 5 XRDPIX fonctionnant en même temps et ensuite le prototype permettront peut-être d'y voir clair (ou pas). p.13 Section 4 - Ce qui serait intéressant est de savoir si pour les voies instables la FWHM se corrèle avec le seuil bas. Je pense que la réponse est non. Pour les autres voies, il faudrait vérifier que les seuils mesures et les FWHM mesures sont bien le résultât des mesures effectuées sur les sous-systèmes de l'XRDPIX (i.e. CD avec Ifuite et CA avec ENC). La calibration d'une relation seuil bas - FWHM est intéressante, car elle peut nous permettre de gagner du temps pour le réglage des seuils bas sur le FM. Guillaume devrait inclure ca dans sa thèse également. Section 5 - p.15 - "Note :" --> Ca correspond a une voie instable (cf. plus haut dans mes commentaires). Si les bancs de la recette disposaient de la datation des événements comme le banc au sous-sol, ca




permettrait d'isoler la portion du temps d'acquisition pendant lequel la voie fonctionnait bien. Section 7.1 Les voies les plus bruyantes sont probablement dues a des instabilités dont la nature nous échappe pour le moment, mais qui n'est pas du simple courant de fuite des détecteurs. "ce qui est attendu" -- la tu vas vite en besogne. Il est vrai la diminution de la HT diminue Ifuite et donc que la FWHM et le seuil bas devrait diminuer. Mais une brusque disparition du "pic de bruit" entre -400V et -300V n'est pas attendu car si elle est exprimée en terme de courant de fuite, cela signifie une caractéristique I-V non linéaire. Hors les détecteurs sont sensés avoir un comportement linéaire dans la plage de HT sur laquelle on les utilise. De la même manière la diminution de Tpeak peut aider à améliorer les seuils bas et les FWHMs, mais jusqu'a une certaine valeur. A bas temps de peaking le bruit électronique augmente dégradant les perfs (cf. les différentes présentations que Guillaume et moi avons faites). Section 7.2 Je ne suis toujours pas d'accord avec ton commentaire dans le premier bullet point. Pour le second bullet point, on aura des billes sur quelques XRDPIX testes par Guillaume qui a fait des mesures de bruit dans le noir. Il y a toujours le problème des instabilités pour le Test2 aussi.




DISTRIBUTION LIST

ECLAIRs

Projet Instrument PI CORDIER Bertrand IRFU/SAp/LDS Instrument PI MANDROU Pierre IRAP X Chef de projet FESQUET Michel IRFU/SEDI/LDEF

Assurance Produit Responsable AP FONTIGNIE Jean

Composants HUYNH Duc-dat Réalisations mécaniques LE MER Isabelle

Electrotechnique DUMAYE Luc

IRFU/SAP/LQS

Système et Architecture

Ingénieur système TRIOU Henri IRFU/SAp/LSAS Architecte électrique CARA Christophe IRFU/SAp/LEDES

Architecte mécanique/ thermique TOURRETTE Thierry IRFU/SAp/LSAS Architecte données SCHANNE Stéphane IRFU/SAp/LDS

Etudes et Simulations Traitement imagerie GROS Aleksandra IRFU /SAp/LDS

Simulation CHIPAUX Rémi IRFU/SEDI Simulation SIZUN Patrick IRFU/SEDI

Etudes RODRIGUEZ Jérôme IRFU/SAp Algorithmes GOTZ Diego IRFU/SAp/LDS

Projeteur CAO DANIEL-THOMAS Philippe IRFU/SIS/ Ingénieur CEM ARCAMBAL Christian IRFU/Sap/LBEDES

CXG Responsable scientifique CORDIER Bertrand IRFU/SAp/LDS

Responsable d’équipement FESQUET Michel IRFU/SEDI/LDEF DPIX

Architecture mécanique AMOROS Carine X Responsable scientifique local ATTEIA Jean-Luc X

Assurance Produit BORDON Sandra X Responsable Simulations & Etalonnages GODET Olivier X

Bancs de tests & AIT/AIV HOURET Baptiste Détecteurs, Hybridation & AIT/AIV LACOMBE Karine X

Architecture Electronique LANDE Jacques X Technologie LE COMTE Eric X

Electronique numérique MARTIN Jean-Alain X Informatique Bord et Sol MARTY Wilfried X Etalonnages (Doctorant) NASSER Guillaume X

Chef de projet PONS Roger X Architecture Electronique RAMBAUD Damien X

Assistante de Projet RAMON Pascale X Mécanique & Intégration ROUAIX Gilbert X Architecture Electronique WAEGEBAERT Vincent

IRAP

X Expert CdTe LIMOUSIN Olivier IRFU/SAp/LDS

Evaluation, qualification ASICs HUYNH Duc-Dat IRFU/SAp/LQS Etude, réalisations ASICs LUGIEZ Francis Etude, réalisations ASICs GEVIN Olivier IRFU/SEDI/LDEF

SMS / Structure et blindage Responsable d’équipement CARTY Michael IRFU/SIS/RI

SMS / Masque Responsable scientifique LACHAUD Cyril APC/PCC (CdF)

Chef de Projet GIVAUDAN Alain APC/PCC (CdF) Mécanique CHAPRON Claude APC/PCC (CdF)

Assurance Produit BENALLOU Mounira APC/PCC (CdF) Ass. Ingénieur – Etudes méca LAFITTE Anthony APC/PCC (CdF)

Expert MANDROU Pierre IRAP ST

Responsable équipement TOURRETTE Thierry IRFU/SAp/LSAS Ingénieur d'étude CARTY Michael IRFU/SIS/RI