Optimisation du traitement numérique de signaux générés dans un cristal de ICs

Abstract

Ce travail a pour but l'optimisation du traitement numérique de signaux générés dans le cristal de ICs d'un calorimètre électromagnétique, dans le cadre d'expériences à haut taux de comptage telle que Belle II. La scintillation du cristal est convertie en signal électronique par une photopentode de Hamamatsu avec un gain de 150±2 électrons par photoélectron, pour être amplifiée par un préamplificateur. Le shaper, un filtre actif de type CR-(RC)^4, effectue ensuite une mise en forme du signal, qu'un ADC numérise alors pour qu'il soit traité numériquement par le DSP. À partir de formes de référence, le DSP peut extraire l'énergie déposée par une particule incidente et le temps d'occurence de son passage.

Pour définir les formes de référence, on a déterminé que sur les trois approches étudiées, soit des formes moyennes expérimentales, soit à partir de la fonction analytique pour un filtre actif ou soit une somme de 3 gaussiennes, la plus optimale est l'ajustement de cette dernière fonction, que ce soit avec un générateur d'impulsions ou un cristal de ICs. De plus, la règle pour convertir l'amplitude des signaux mesurés en énergie déposée dans le cristal a été établie, malgré une gamme dynamique étroite.

On a aussi observé des temps moyens de propagation de la scintillation dans le cristal de 47±4 ns et 3,4±0,5 $\mu$s, liés aux deux états d'excitation accessibles aux atomes du ICs, mais aussi à la géométrie du cristal, aux réflexions de photons sur les parois et au temps de réaction des circuits électroniques, qui allongent ces temps de scintillation mesurés.

The goal of this work is to optimize the digital processing of signals generated in the CsI crystal of an electromagnetic calorimeter, in the context of high counting rate experiments like Belle II. The scintillation from the crystal is converted into an electronic signal by a Hamamatsu photopentode with a gain of 150±2 electrons per photoelectron, to then be amplified by a preamplifier. The signal is then shaped by the shaper, a CR-(RC)^4 active filter, before it is digitized by an ADC, to be processed by the DSP. Using reference shapes, the DSP can extract the energy deposited by an incident particle and the time of occurence of it going through the crystal.

To define the reference shapes, we determined that of the three approaches studied, which are experimental average shapes, the analytical function for an active filter and the sum of 3 gaussian functions, the best results were achieved using the last one, both with the pulse generator and the CsI crystal. Also, a conversion formula has been established to convert the measured signals' amplitudes into deposited energy in the crystal, despite a narrow dynamic range.

We also observed average propagation times of the scintillation through the crystal of 47±4 ns and 3,4±0,5 $\mu$s, related to the two accessible excitation states of the CsI atoms, but also to the crystal's geometry, the reflections of photons on its surface and the reaction time of the electronics circuits, which make those scintillation times appear longer.