Introduction au convertisseur haute tension MicroTCA du projet FASTER
Le convertisseur haute tension microTCA est implanté sur une carte électronique mère / fille et intégré dans un chassis FASTER.
FASTER est un système d’acquisition numérique de données développé à l’université de Caen par une équipe de physiciens et d’ingénieurs. Le groupe de travail du projet FASTER conçoit, fabrique, teste et livre à des chercheurs des modules électroniques ‘front-end’ qui répondent à des besoins émanant de la physique nucléaire et dont les contraintes peuvent être élevées, parmi lesquelles :
- un niveau de bruit très bas,
- une dynamique très importante,
- une bande passante large,
- un niveau d’intégration et de modularité élevé,
- une consommation de puissance faible,
- une portabilité suffisante.
Pour atteindre ces objectifs, l’équipe FASTER a retenu le standard micro-TCA. Différentes tailles de châssis mTCA existent sur le marché : par exemple, la version mini-châssis, de quelques slots, est utilisée pour les petites expériences avec peu de détecteurs. Les fonctions électroniques sont implémentées dans des cartes AMC ‘Advanced Mezzanine Card’ qui sont interconnectées entre elles et qui communiquent avec l’informatique d’acquisition via une interface série multi-Gb Ethernet. Le convertisseur haute tension MicroTCA a toute sa place dans ce choix de technologie.
Fonctionnalités des cartes ‘AMC’ FASTER
La version standard de ces cartes offre de nombreuses fonctionnalités, auxquelles il est possible d’en ajouter d’autres spécifiquement à la demande du physicien et en fonction du projet :
- mesure de charge et de temps de vol (carte FASTER-QDC-TDChr),
- mesure de spectre en énergie avec discriminateur-shaper et fonction de holding (carte FASTER-ADC),
- démodulation de fréquence radio pour les applications de cyclotron (carte FASTER-RF),
- gestion complexe de flux de données (carte processeur),
- une couche hardware unique pour supporter toutes les cartes (FASTER-ADC, QDC-TDChr, RF, etc…),
- acquisition de 700 000 mesures par seconde.
Cartes ‘AMC’ FASTER pour détecteurs
Les cartes électroniques FASTER sont compatibles avec un large éventail de détecteurs :
- détecteur à état solide (Silicon, HPGe, SiLi, CdTe),
- détecteur gazeux (chamber à ionization, Gaz-Electron-Multiplier – GEM, compteur proportionnel, …),
- scintillateur et tube photomultiplicateur, inorganique comme le NaI, CsI, YAG, LaBr, Li ou organique comme le scintillateur plastique, le scintillateur liquide, …
- détecteur SiPM,
- galette de micro-canaux (MCP).
Collaborations FASTER et besoins du convertisseur haute tension microTCA
- Belgique : Université de Louvain,
- France : Université Paris-Sud, GANIL, CEA,
- Espagne : Université de Grenade,
- Suisse : PSI, CERN,
- Etats-Unis : CENPA, MSU, GONZAGA,
- Russie : JINR,
- Roumanie : IFIN-HH.
Convertisseur haute tension microTCA (FASTER-HT)
Le convertisseur haute tension MicroTCA du projet FASTER (FASTER-HT) génère plusieurs voies de haute tension, il complète le portfolio de modules ‘AMC’. Le principe repose sur l’assemblage modulaire de 1 ou 2 cartes haute tension, appelées ‘daughter board’, sur une carte mère ‘mother board’ référencée SYROCCO-AMC au format mTCA VITA57. Chaque carte fille intègre un convertisseur haute tension DC série BPS du constructeur ISEG Spezialelektronik dont le modèle est choisi en fonction du détecteur.
Tensions de 500 V à 6000 V pour tous les types de détecteurs
Le convertisseur haute tension microTCA permet d’alimenter des détecteurs avec des tensions très variées :
- +/- 500 V, 8 mA,
- +/- 1 kV, 4 mA,
- +/- 2 kV, 2 mA,
- +/- 3 kV, 1.3 mA,
- +/- 4 kV, 1 mA,
- +/- 6 kV, 0.67 mA.
Le choix du convertisseur haute tension microTCA prend en compte différents critères techniques dont :
- La polarité,
- le niveau de stabilité en régulation, en temps, en température,
- l’ondulation résiduelle et le bruit sur une large bande passante (< 20 mVpp),
- la programmation en tension Vset,
- la relecture en tension Vmon et en courant Imon,
- l’état de fonctionnement (On / Off),
- la plage de fonctionnement (de 1 % à 100 % Vnominal),
- la rampe d’incrémentation,
- un dimensionnement mécanique unique.
Du fait de son concept compact et modulaire, reposant sur une structure ‘mother board – daughter board’, la carte FASTER-HT rend rapide et facile la configuration d’un système haute tension, et satisfait à une grande variété d’applications dans le domaine de la physique nucléaire.
