reseau r & d instrumentation in2p3 groupe … · - génération et mesure du signal rf à...

Journée Instrumentation IN2P3 24 Novembre 2014

Patrick STASSI – LPSC Grenoble – [email protected] 1/19

RESEAU R & D INSTRUMENTATION

IN2P3 Groupe Radio Détection



Préambule sur la Radio détection • C’est une technique instrumentale de détection qui peut être

comparée à la Photo détection par exemple

• Différents phénomènes physiques peuvent être à l’origine des émissions, radio impliquant l’utilisation de capteurs adaptés (comme pour la photo détection)

• Des thématiques scientifiques très différentes peuvent utiliser cette technique de détection avec cependant des domaines de recouvrement (comme pour la photo détection)

• Bien que les premières études dates des années 50 certains mécanismes d’émission sont encore mal connus -> grande part de R & D



Activités R & D Radio détection @ IN2P3 • 5 laboratoires impliqués dans une activité de R&D radio :

• IPNO (~2 à 3 pers., O. Deligny) • LAL (~2 à 3 pers., D. Charlet) • LPNHE (~5 à 6 pers., H. Lebbolo & O. Martineau-Huynh) • LPSC (~3 à 4 pers. P. Stassi) • SUBATECH (~6 à 7 pers. B. Revenu)

• 2 thèmes :

• Détection et étude des gerbes atmosphériques • Cosmologie par radio interférométrie, 21cm

• Méthodes et fréquences de détection différentes



Activités R & D Radio détection IN2P3

EASIER/GIGAS @ Auger Intervenants dans l’IN2P3 : IPNO, LPNHE et LPSC. Le projet en lui-même comporte une grande part de R&D, notamment dans la recherche d’un capteur (antenne et amplificateur) très bas bruit dans la bande au-delà du GHz. L’activité inclut le design de nouvelles antennes de type hélicoïdal/cornet, appropriées à la problématique de la détection de type « bremsstrahlung moléculaire », dans une bande fréquence autour de 1GHz.

AERA @ Auger, CODALEMA III et EXTASIS @ Nançay

Intervenant dans l’IN2P3, SUBATECH. Les réseaux AERA et CODALEMA sont maintenant complets fonctionnels (depuis 2013). S'appuyant sur ces instruments, une activité de R&D orientée vers l'élargissement de la bande de fréquence d'observation est engagée (de 2-3 MHz, jusqu'aux 400-500 MHz). Nançay est la base européenne du développement de ces R&D.

BAORadio-PAON @ Nançay Intervenant dans l’IN2P3, LAL. Le laboratoire est impliqué dans le développement de l’électronique de numérisation et de traitement ainsi que du système de corrélation pour le réseau d’antennes. Le volet R&D porte sur les aspects numériques (acquisition, traitement en ligne, corrélateur), et sur la chaîne analogique (feed large bande, LNA, transport des signaux).

TREND @ Chine

Intervenant dans l’IN2P3, LPNHE. Ce projet se situe dans le cadre d’une collaboration franco-chinoise, sur le site de l’observatoire radio 21CMA, pour la détection de gerbes horizontales initiées par des neutrinos. L’activité de R&D porte sur le déclenchement autonome et une discrimination efficace entre bruit de fond et signaux induits par les gerbes atmosphériques.



EASIER et GIGAS Détection des RCUHE (Financement ANR GIGAS -> 2016)

Principe : Combiner dans un réseau, le capteur radio à un détecteur de particules sensible aux muons élimine les problèmes de trigger, allonge la portée, permet de tester toutes les gammes de fréquences, donne une détection multi composantes des EAS (EM + hadronique)

EASIER 61 6 événements associés à des gerbes détectées, 5 >1019 eV et 1 > 2x1018 eV



EASIER et GIGAS - Programme R&D Optimisations et tests dans deux bandes de fréquences

- 1.2 GHz, développement d’une antenne de type hélicoïdale/cornet avec un SNR optimisé et un ULNA commercial – fabrication et simulation HFSS et mesures en chambre anechoïque

- Bande C (3-4GHz), Antenne cornet et LNB commerciaux haut de gamme (Norsat + AINFO), caractérisation en chambre anechoïque et simulation HFSS

- Nouvelles électroniques intégrées et optimisée, pour le traitement du signal BF, adaptées aux deux types d’antennes

Début 2015 : - Installation de 7 systèmes 1,2GHz (antennes hélicoïdales)

avec de l’électronique intégrée - Installation de 7 systèmes bandes C, avec de l’électronique

intégrée Dans l’année 2015, en fonction des résultats : - Génération et mesure du signal RF à partir d’une source

Beta (@ IPNO)



EASIER et GIGAS – nouveau setup (sim. HFSS)



Niveau du signal attendu

EASIER61

GIGADuck Bande C

GIGADuck 1,2GHz



PAON IV System

~ 60db ~ 4m

ADC

NEBULA Board

FPGA

~ 2m

~ 60db ~ 4m

ADC

NEBULA Board

FPGA

~ 2m

~ 60db ~ 4m

ADC

NEBULA Board

FPGA

~ 2m

~300m

Clock & trigger

Distribution

(WR or custom) ~300m

20GByt/s

PCIExExt

/Ethernet

UPGRADE

2015



NEBULA Board Réalisation d'un numériseur rapide.

Numérisation en bande directe( 2GHz).

Minimisation des longueur coaxiales (implantation sous les antennes).

Intégration de pré-filtrage ”on ligne”

Réalisation courant 2015.



Le but de cette nouvelle étude est de remplacer la chaîne précédente qui intégrait une transposition fréquentielle de 1250MHz vers 250MHz à un système avec un échantillonnage direct. L'autre amélioration est la possibilité d'implanter cette carte au plus près de l’émetteur afin de s'affranchir des problèmes transmission de signaux large bande sur des coaxiaux. Le système autorisera une synchronisation sur plusieurs km avec un delta t de l'ordre de la dizaine de ps pour plusieurs centaines de modules.

12/19

Bilan scientifique novembre 2014 : signal radio des gerbes

atmosphériques

12

LOFAR event

SELFAS simulation

(Subatech)

1. les mécanismes d’émission dans 30-3 GHz sont très bien compris [The

Pierre Auger Collaboration, Phys. Rev. D 89, 052002 (2014)]

2. le signal radio permet de reconstruire toutes les caractéristiques du

primaire, Xmax à 20 g cm-2, [LOFAR 2014, ARENA conf], même

précision qu’un détecteur de fluorescence

3. pas de signal MBR exploitable au GHz (selon CROME, 2012, Karlsruhe)

SELFAS simulation

LOFAR event

13/19

Activités radio Subatech

13

Instruments à Nançay (2-250 MHz) :

• exploitation CODALEMA3 : 57 stations autonomes

• exploitation CODALEMA3 : 13 scintillateurs (trigger)

• exploitation CODALEMA3 : réseau compact phasé

• R&D EXTASIS : trigger composite

• R&D EXTASIS : antenne 3D

• R&D EXTASIS : basse fréquence, mort subite des gerbes

• instrumentation : LNA Subatech choisi pour nenuFAR

(in2p3 vers INSU)

Instrument en Argentine sur Auger (AERA, 30-80 MHz) :

• exploitation : 121 stations autonomes, 30-80 MHz (7 km2)

• exploitation : article AERA mécanismes d’émission (The Pierre

Auger Collaboration, Phys. Rev. D 89, 052002 (2014))

• forte implication de Subatech (antenne Butterfly,

responsabilité acquisition centrale, responsabilité antenne)

• développements : passage à 160 stations printemps 2015 +

polarisation verticale

14/19

EXTASIS

14

mort subite de la gerbe au contact avec le sol, signal basse fréquence (< 20 MHz) d’après la

simulation et les données 1960-1990 : très riche en informations sur le primaire ET à grande

portée

premier prototype basse fréquence à Nançay, 2-4 MHz (octobre 2014)

Longue portée du signal BF

(simulation)

premier prototype antenne 3D à Nançay (octobre 2014)

• simulation signal basse fréquence

avec effets de sol

• exploitation des premières données

(thèse 11/2014)

mort subite

émission classique

mort subite

émission classique

15/19

Signal compris, simulations maîtrisées

15

Rouge : données LOFAR, Bleu : simulation SELFAS (Marin & Revenu)

Champ électrique en fonction de la distance à l’axe



TREND-50 (2011-2014) • Site: Ulastai, province du XinJiang, Chine (site du radio-interféromètre 21CMA)

• 50 antennes monopolaires sur 1.5km²

• Objectif: validation du déclenchement autonome d’un réseau de radiodétection de gerbes atmosphériques, avec contamination faible par événements de bruit de fond.

• Principe: taux de trigger élevé (jusqu’à 1kHz /antenne) et sélection offline des candidats.

• Critères de sélection offline:

– EAS: signal compact & front d’onde plan. BdF: source proche: front d’onde sphérique. Source lointaine: signal étendu.

• Objectif initial en passe d’être atteint. Analyse finalisée début 2015. 2011-12: polarisation Est-Ouest. 465 candidats EAS Directions suivent la distribution attendue

30°

60°

90°

Data

Simu

(no envir cuts +

only West hemisphere)

2013-14: polarisation Nord-Sud. 14 candidats EAS seulement (niveau de bruit ↗). Directions radicalement différentes.

To Do: ↗ stat simu + appliquer cuts de sélection de données.



GRAND (2015-…)

+150

+100

+50

0

-50

-100

-150

-150 -100 -50 0 +50 +100

+150

Easting [km]

Nort

hin

g [

km

]

60 000km²

Antennes GRAND-proto

• Projet long terme: Giant Radio Array for Neutrino Detection

Ordre de grandeur ~90 000 antennes sur 200x300 km². • Défis : taille du réseau et rejet du BdF • Optimisation du rejet par la mesure complète de la

polarisation (pour les EAS : ~ linéaire, à la gerbe & à Bgeo). • Quantification du rejet grâce à un réseau hybride de

détection (GRAND-proto) – 20 scintillateurs – 33 antennes tripolaires (design: SUBATECH/CODALEMA)

• Budget finalisé (proto). • Prototype des antennes testées en 2014: OK. • DAQ développé @ LPNHE • Déploiement du réseau radio printemps 2015. • 1ers résultats attendus en 2015.

«Seminal workshop» GRAND @ LPNHE 9-11 février 2015: 25 participants (expérimentateurs, théoriciens, ingénieurs de TREND, IceCube, ARA, AUGER, AERA, LOPES, CODALEMA,…)



Conclusions et Perspectives

• Le réseau est petit • Technique de détection peu répandue et difficile • Beaucoup de R & D • C’est un petit groupe ( 5 laboratoires, < 25 personnes) • Ouvert forcément vers d’autres organismes (IRFU, INSU, etc..) • Thématiques différentes mais avec des recouvrements

techniques (antennes Butterfly & LNA Subatech, Observatoire de Nançay)

• Pas de réunion en 2014

• Bilan des demandes DIALOG • Subatech ->24250,00 €

• Les activités Radio IN2P3 sont financées en partie ou en totalité par des sources hors institut

19/19

CODALEMA1 CODALEMA2 CODALEMA3, EXTASIS

RAuger1 RAuger2

AERA1 AERA2 AERA3

EASIER-MHz

Bilan radio IN2P3 (fin 2014)

19/19

TREND GRAND?

BAO Radio

EASIER-GHz (GIGAS)

reseau r & d instrumentation in2p3 groupe … · - génération et mesure du signal rf à...

Documents