Étude et validation des performances des modules de détection des caméras NectarCAM de l'Observatoire Cherenkov Telescope Array

par Adellain Tsiahina

Thèse de doctorat en Astrophysique, Sciences de l'Espace, Planétologie

Sous la direction de Pierre Jean et de Jean-François Olive.


  • Résumé

    Les réseaux de télescopes gamma de très haute énergie actuels avec la technique d'imagerie Cherenkov atmosphérique (comme CANGAROO, HEGRA, HESS, MACE, MAGIC et VERITAS) hébergent au maximum cinq télescopes individuels. L'Observatoire Cherenkov Telescope Array (CTA) est conçu pour détecter les rayons gamma avec plus de 100 télescopes au total. Pour avoir un domaine spectral plus large, des télescopes de petite taille, de taille moyenne et de grande taille (respectivement 4 m, 12 m et 23 m de diamètre) seront installés dans les hémisphères nord et sud. La gamme d'énergie couverte s'étend de 20 GeV à 300 TeV. Plus de 30 pays sont engagés dans diverses activités allant de la construction au développement scientifique de son installation. La NectarCAM sera une des caméras pour les télescopes de taille moyenne qui couvrent la gamme 100 GeV-30 TeV. Elle contient 1855 pixels disposés sur une surface d'environ 6 m2 et elle a une conception modulaire. Les 265 modules du plan focal de la NectarCAM contiennent chacun 7 tubes photomultiplicateurs avec leur électronique d'alimentation et de pré-amplification connectée à une carte interface permettant de communiquer avec le reste de la caméra. La conception, le développement et la production de ces modules du plan focal de la NectarCAM sont sous la responsabilité de l'IRAP. Lors de leur fabrication, nous devons nous assurer qu'ils sont valides et répondent aux exigences du consortium CTA. Mon travail de thèse consiste à concevoir et réaliser un banc de test, l'étudier, le caractériser et l'étalonner pour pouvoir contrôler la qualité et les performances de ces modules. Après avoir calibré le gain des unités de détection d'un module, l'étude de la réponse impulsionnelle, le niveau de bruit, la tenue au bruit du fond du ciel nocturne, la résolution et la détermination des divers défauts de ses photodétecteurs, caractérisent les performances de chaque pixel avant d'être intégrés dans la caméra. L'exploitation de ce banc de test a permis de mesurer les performances de 61 modules destinés à équiper un prototype de NectarCAM qui a été installé dans un prototype de télescope de taille moyenne à Adlershof (Allemagne). Ces tests ont montré que les performances de ces modules respectent les exigences scientifiques. Le banc a été ensuite amélioré pour l'analyse de la production des modules du modèle de qualification de la caméra et nous avons comparé les résultats des performances scientifiques de ces photodétecteurs par rapport au cahier des charges de la NectarCAM. Le modèle de qualification sera la première caméra installé au site nord de CTA à la Palma, en Espagne.

  • Titre traduit

    Study and validation of performances of focal plane modules of NectarCAM cameras for the Cherenkov Telescope Array Observatory


  • Résumé

    The major facilities of very high energy gamma ray telescope arrays with the imaging atmospheric Cherenkov technique (i.e. CANGAROO, HEGRA, HESS, MACE, MAGIC and VERITAS) host up to a maximum of five individual telescopes. The Cherenkov Telescope Array (CTA) Observatory is designed to detect gamma rays with more than 100 telescopes. For achieving a large energy range detection, small-sized, medium-sized and large-sized telescopes (with diameters of 4 m, 12 m and 23 m respectively), will be located in the northern and southern hemispheres. They will cover an energy range of 20 GeV to 300 TeV. More than 30 countries are involved in various activities ranging from construction to scientific development of the facility. The NectarCAM is one of the cameras for the medium-sized telescopes which covers the 100 GeV-30 TeV range. It contains 1855 pixels mounted on a surface of 6 m2 and has a modular design. All the 265 modules of the NectarCAM contains 7 photomultiplier tubes with their power supply and preamplification which is connected to an interface board that allows them to communicate with the rest of the camera. The design, development and the production of the modules is under responsability of IRAP. When manufacturing them, we must ensure that they are valid and fulfills the requirements of the CTA consortium. My thesis work is to implement a test bench and then studying it, characterizing it and calibrating it to control the quality and scientific performance of the modules. After having calibrated the gains of the pixels of the detection units of a module, the impulse response, the noise level, the stability within night sky background noise, the resolution and the determination of the various defects of the photodetectors, characterize the performances of each detector before being integrated into the camera. The test bench has enabled us to get the performances measurements of 61 modules for the NectarCAM prototype that has been mounted on a protoype of medium-sized telescope in Adlershof (Germany). These tests showed that scientific performances fulfill the requirements. The test bench was upgraded for the analysis of the production of the modules for the qualification model of the camera and we discussed the results we obtained compared to NectarCAM requirements. The qualification model will be the first camera installed at the CTA north site in La Palma, Spain.


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