Performances de l'électronique front-end du système des PMTs 3” dans l'expérience JUNO et étude de son impact sur les mesures de charge et de temps.

Performances of the 3'' PMT front-end electronics in the JUNO experiment and study of its impact on charge and time measurements.

• Auteur / Autrice : Clément Bordereau
• Direction : Frédéric Perrot, Yee Hsiung
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Plasmas, nucléaire
• Date : Soutenance le 05/12/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Deux Infinis (Bordeaux ; 2022-....)
• Jury : Président / Présidente : Denis Dumora
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Selma Conforti Di Lorenzo, Pao-Ti Chang
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Drapier, Laurent Simard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Observatoires

Neutrinos

Instruments de mesure

Photomultiplicateurs

Mots clés libres

Juno

Instrumentation

Photomultiplicateurs

Photomultiplier tubes

Juno

Instrumentation

Résumé

L’observation du phénomène d’oscillation des neutrinos a conduit à la remise en question du Modèle Standard de la physique des particules. Effectuer une mesure précise de leurs paramètres d’oscillation, ainsi que répondre à la question de la hiérarchie de leurs états de masse, pourrait bien fournir des éléments de réponse quant à d’autres énigmes non résolues en cosmologie et en physique des particules.C’est l’objectif de l’observatoire souterrain de neutrinos de Jiangmen (JUNO), une expérience polyvalente sur les neutrinos devant commencer à prendre des données en 2024, qui détectera les anti-neutrinos de réacteurs de deux centrales nucléaires voisines à l’aide d’un détecteur central contenant 20000 tonnes de scintillateur liquide. Les photons émis seront observés par deux grands réseaux de tubes photomultiplicateursde 20 pouces (LPMTs) et de 3 pouces (SPMTs), le système SPMT ayant été conçu pour servir de réseau complémentaire au système LPMT. Fonctionnant principalement dans un mode de comptage de photons, il permettra d’étalonner la réponse en énergie des LPMTs et de mieux comprendre les erreurs systématiques du système. Entreposée dans de l’eau, son électronique de lecture consiste en 128 SPMTs connectés à une même carte frontale ABC, hébergeant 8 ASICs CATIROC de 16 voies. Des études précises menées sur les performances de cette carte ABC sont présentées dans cette thèse, comprenant des études sur les mesures de piédestaux (largeurs inférieures à 0,05 photoélectron), la linéarité et l’étalonnage en charge (déviation de 0,05% par rapport à un modèle linéaire), la résolution temporelle (environ 0,25 ns), la diaphonie (inférieure à 0,15%), ainsi que sur des bancs de tests combinant toute l’électronique du système SPMT à ce jour. La bonne capacité des cartes ABC à déclencher de manière asynchrone et aléatoire sur des photoélectrons avec des seuils à 1/3 de photoélectron est également démontrée, et le traitement d’un signal PM dans la carte ABC est étudié avec le paramétrage précis de certaines caractéristiques des ASICs CATIROC telles que le temps de déclenchement et le time walk, les temps morts et l’ acceptance en charge.Cette connaissance approfondie de l’électronique SPMT a également été implémentée dans la simulation JUNO et les événements simulés ont montré que l’impact de la réponse du système SPMT sur des études physiques impliquant les informations de charge et de temps est négligeable devant la réponse des PMs. Ces travaux ont en outre abouti à la qualification des performances des 25600 SPMTs et des 220 cartes frontales ABC, ce qui ouvre la voie à l’exploitation des données de physique de JUNO à partir de 2024.

The observation of neutrino oscillations has led to questioning the Standard Model of particle physics, and precisely measuring the neutrino oscillation parameters and answering the question about the ordering of the neutrino mass states could provide the key to understanding other unsolved puzzles in both cosmology and particle physics. This is the objective of the Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO), a multi-purpose neutrino experiment expected to start taking data in 2024, which will detect reactor anti-neutrinos from two nearby nuclear power plants using a central detector containing 20 kton of liquid scintillator. The emitted photons will be observed by two large arrays of 20-inch (LPMTs) and 3-inch (SPMTs) photomultiplier tubes, the SPMT system having been designed to serve as a complementary array of photodetectors to the LPMT system. By mostly operating in a photon-counting mode, it will help calibrate the energy response of the LPMTs as well as help better understand the systematics of the system. Located underwater, its read out electronics consists in 128 SPMTs being connected to a single ABC front-end board hosting 8 16-channels CATIROC ASICs. Precise studies on the performances of this ABC board are presented in this thesis, including studies on pedestal measurements (0.05 photoelectron pedestalwidths), charge linearity and calibration (0.05% deviation to linear model), time resolution (about 0.25 ns),crosstalk (below 0.15%), as well as on test-benches combining all the SPMT electronics to date. The boards’ability to asynchronously auto-trigger on random SPE events with thresholds as low as 1/3 photoelectronis also demonstrated, and the processing of a PMT signal within the ABC board is studied with precise parametrizations of certain CATIROC ASIC features such as the trigger time and time walk, the deadtimesand the charge acceptance. This intricate knowledge of the SPMT electronics was additionally implemented in the JUNO simulation, and simulated events showed that the impact of the response of the SPMT system on physical studies involving the charge and time information was negligible before the response of the PMTs. This work has furthermore led to the qualification of the performances of the 25,600 SPMTs and of the 220 ABC front-end boards, which will pave the way for the exploitation of the JUNO physics data starting from 2024.