Chaines d'alimentation de securite et a debit dynamique eleve pour photomultiplicateurs

NUCLEAR

INSTRUMENTS

AND

METHODS

71

(I969) 141-152;

©

NORTH-HOLLAND

PUBLISHING

CO.

CHA[NES D ' A L I M E N T A T I O N DE SECURITE ET A DEBIT DYNAMIQUE ELEVE POUR PHOTOMULTIPLICATEURS A. L O O T E N

CERN, 1211 GenJve 23, Switzerland Re~u le 27 D6cembre 1968 T w o different types o f p o w e r supply chains are described, o n e for t h e P M X P I I 1 0 a n d t h e o t h e r for t h e 56 AVP. Both c o m p o r t circuits to eliminate discharge in t h e p h o t o t u b e u n d e r critical conditions, a n d parallel supply sources for t h e last dynodes. Their d y n a m i c range is high e n o u g h to buffer p o w e r at t h e P M

in all practical cases e n c o u n t e r e d in physics experiments. Variation o f transit time in relation to charges flowing f r o m t h e P M are m e a s u r e d comparatively between o u r chain a n d a s t a n d a r d resistive chain.

1. Sommaire

(B.A.), et la fig. 2 les cartes utilis6es. La liaison entre ces B.A. et les PM s'effectue par cfible blind6, A vingt conducteurs pour les 56 AVP et ~t douze conducteurs pour les X P l l l 0 .

Nous d~crivons ici les deux types de chaines d'alimentation (C.A.) qui sont utilis6es pour les hodoscopes et les compteurs ~t scintillation d'une exp6rience se d6roulant au Synchrotron A protons 1) du CERN. Ces deux chaines comportent une alimentation /~ faible imp6dance pour chacune des quatre derni~res dynodes du photomultiplicateur (PM). La puissance disponible ~t ces points permet la mise en parall61e de plusieurs dizaines de X P l l l 0 et jusqu'~ quatre 56 AVP. Ces chaines comportent aussi un dispositif de s6curit6 tr6s simple qui supprime les d6charges survenant parfois dans des PM. Elles sont r6alis6es sur des circuits imprim6s enfichables qui sont group6s par ,;6rie de dix dans des baies bien ventiMes les circuits de ,;6curit6 sont r6unis aussi sur des cartes enfichables, ce qui permet un contr61e et un d6pannage 6ventuel beaucoup plus rapides. Quant aux 616ments lourds et encombrants, tels que transformateurs et capacit6s 61ectrolytiques, ils sont r6partis ~t l'arri6re pros des deux ventilateurs. La fig. 1 montre un exemple de ce type de baie d'alimentation

•

....

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Les hodoscopes ne comprennent donc que les phototubes et les scintillateurs; ils sont all6g6s au maximum et leurs dimensions sont notablement r6duites. La fig. 3 montre un des hodoscopes utilis6s dans l'exp6rience actuelle. Les bases pour les PM 56 AVP sont aussi moins encombrantes et moins cofiteuses (cf. fig. 4). Elles ne comportent aucun 616ment dissipant de la chaleur; le r6glage de la focalisatrice peut se faire distance, ce qui 6vite l'acc6s A la zone irradi6e d'une exp6rience pour effectuer l'optimisation des PM. Les semi-conducteurs que comportent les C.A. sont 61oign6s des flux intenses de particules, ce qui est souhaitable. Enfin, cette chaine garantit aux PM, qui re~oivent un flux lumineux important mais in6galement r6parti dans le temps, une fluctuation de leur temps de transit r6duite au minimum.

......

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Fig. 1. V u e de l'int6rieur de la bale de 56 AVP.

141

t42

A. LOOTEN

Fig. 2. Cartes d'alimentation pour 56 AVP et carte de s6curit6 avec fusibles.

2. Chaine d'alimentation pour P M X P l l l 0 D a n s l'exp6rience cit6e plus h a u t il y a six h o d o scopes c o m p r e n a n t au total 500 PM d u type XP1110. Ces P M sont aliment6s p a r trente C.A. Le d6bit statique de chacune est de 10 m A 5- - 2 kV, mais les a l i m e n t a t i o n s en parall61e sur D l 0 , D9, D8, D7 peuvent assurer un a p p o r t de c o u r a n t c o n t i n u & e n v i r o n 100 m A . P o u r les h o d o s c o p e s dans le faisceau direct qui doivent accepter b e a u c o u p de particules, on pr6voit une C.A. p a r six P M . P a r contre, p o u r les h o d o s c o p e s sur la voie diffus6e ou sur la voie de recul, une C.A. est suffisante p o u r d o u z e 5. vingt-cinq P M . Le sch6ma de principe* de cette chalne est donn6 p a r la fig. 5. U n e premi6re chaine de r6sistances R25 * Les diodes zener et le commutateur ne figurent pas sur les sch6mas de principe, figs. 5, 8 et 9.

5. R4 alimente les six premi6res d y n o d e s ; son d6bit est de 10 m A 5. - 2kV. Ensuite, nous t r o u v o n s la s6rie des q u a t r e a l i m e n t a t i o n s 5. faible imp6dance p o u r les d y n o d e s finales. Une deuxi~me chaine de r6sistances d6bitant 2 m A alimente les bases des t r a n s i s t o r s T I , T3, T5, T7; ceux-ci constituent avec T2, T4, T6, T8 des a l i m e n t a t i o n s stabilis6es simplifi6es. Si nous consid6rons l ' e n s e m b l e T I - T 2 , on voit que la tension pr6sente sur la base de T1 se retrouve intdgralement sur le collecteur de T2, car la diode D 2 6tant n o r m a l e m e n t c o n d u c t r i c e si le c o u r a n t de la d y n o d e 10 augmente, le potentiel de cette derni6re tend 5. se r a p p r o c h e r de celui de la masse; T1 j o u e alors le r61e d ' u n c o m p a r a teur de tension c a r le potentiel sur sa base restant fixe, son c o u r a n t collecteur a u g m e n t e r a et p a r cons6quent celui de T2 aussi. Le c o u r a n t n6cessaire 5. la d y n o d e sera d o n c fourni p a r l ' a l i m e n t a t i o n secondaire, de

CHAINES D'ALIMENTATION DE SI~(3URITE

Fig. 3. Hodoscope de faisceau 6quip6 de XP1110.

143

144

A. LOOTEN

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Fig. 4. Ensemble baie d'alimentation 56 AVP et base moul6e, avec le c~tble de liaison et le connecteur. fa9on ~t ce que l'6quilibre initial de T1 soit r6tabli, et le potentiel de D10 restera donc constant. Si le d6bit de cette derniSre continue d'augmenter et atteint un niveau tel que tout le courant circulant dans R7 est d6riv6 vers T1, la diode D2 se bloquera. La contrer6action sera supprim6e et T1 se comportera alors comme un g6n6rateur ~t courant constant; le d6bit de T2 ne pourra plus augmenter. Ceci constitue une mesure de s6curit6 pour les PM car leur dissipation anodique ne doit pas ~tre d6pass6e outre mesure. Le courant maximum que l'on peut tirer de cette paire est fix6 par la valeur donn6e ~t R7 pour D10, et R12, R17, R22 respectivement pour D9, D8, D7. Soit par exemple une tension de 250 V sur la base de T1, un fl de 40 pour T2 et une valeur de 100 kf2 pour R7, le courant maximum qui pourra ~tre d61ivr6 sur D10 sera de : (250 x 40)/105 = 104/105 A soit 100 mA. Les diodes D I - D 3 , D4-D6, D7-D9, DI0-D12 prot6gent les transistors contre des tensions inverses excessives sur leurs bases. Un dispositif de s6curit6 suppl6mentaire est aussi pr6vu sur une autre carte enfichable. I1 comporte un

relais command6 par la haute tension d61ivr6e au PM, et qui n'enclenche la tension du secteur sur le transformateur de l'alimentation secondaire que lorsque la haute tension atteint - 1 2 0 0 V. Les r~sistances R53 ~t R60 et les capacit6s C5 ~t C8 sont pr6vues pour d6coupler chaque PM et sont connect6es le plus pr6s possible du tube. Les connections de masse sont l~t tr6s importantes et doivent ~tre soign6es pour 6viter des couplages intempestifs entre les PM. Les r6sistances R41 et R42 6vitent les d6charges internes qui surviennent dans certains tubes si la haute tension est voisine de la limite maximum fix6e par le constructeur, ou si cette tension est commut6e brusquement. Ce ph6nom6ne a d6j~t fait l'objet d'un rapport interne au CERN2). Rappelons toutefois qu'avec cette simple pr6caution on peut utiliser le PM X P I I 1 0 ~t des tensions qui d6passent de loin lalimite impos6e par le constructeur. La courbe de iin6arit6 du courant anodique donn6e par la fig. 6 illustre d'ailleurs ce r6sultat. Des commutations brusques et r6p6t6es de 0 ~t - 2 7 5 0 V n ' o n t plus provoqu6 de d6charge dans le tube. Cette sdcurit6 am61iore beaucoup la fiabilit6 de l'hodoscope et de l'61ectronique qui lui est associ6e. C o m m e on peut le voir sur la fig. 1, dix commutateurs sur le panneau avant permettent d'introduire

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-H.V,

i,,;g

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I,Y:,

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Conn. ~-M

"XP1110"

Fig. 5. Sch6ma de prmcipe de la carte d'alimentation XP1110.

2ZOV'IC

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CIRCUIT D I A G R A M M MOUNTING"Xp tll0:TYpE: 4229

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~UTPUTS

To olher PM. • " X R 1110"

c

z

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z

J-.>

>

146

A. LOOTEN Afin de v6rifier les performances 61ectriques de ce type de C.A., nous avons 6clair6 un PM avec une petite lampe & n6on qui est puls~e et qui simule assez bien les conditions r~elles de fonctionnement d ' u n hodoscope dans un faisceau intense de particules.

mA

50

Les fig. 7a, b montrent le train d'impulsions apparaissant sur l ' a n o d e du tube et sur la derni~re dynode. U n relais de s6curit~ thermique est fix~ sur le panneau avant et d~clenche l'alimentation haute tension g6n6rale, si la temp6rature 5. l'int~rieur de la baie d6passe 55 °C.

40

30

20

3. Chalne d'alimentation pour P M 56 AVP 10

I

1700

I

2000

I

I

2300

I

I

2600

I

1

v

2900

Fig. 6. Courbe de lin6arit~ du courant anodique du XPIII0 en fonction de la haute-tension sur sa photocathode. en s6rie, avec chaque C.A., dix diodes z6ners de 20 V, ce qui permet un ajustement individuel de 10% de la haute tension sur chaque circuit. Le r6glage du gain et du temps de transit de chaque hodoscope, ou partie d'hodoscope, est ainsi possible.

Fig. 7a. Aspect du train d'impulsions produit par la lumi6re n6on sur l'anode du XP1110, avec notre chalne d'alimentation et une charge de 125 ~. l~chelle : 100 mV/div. ; 100 msec/div.

Fig. 7b. Impulsion correspondante sur la dynode 10 du XPI 110. l~chelle : 100 mV/div. ; 100 msec/div. C'est le ronflement r6siduel qui apparait sous la forme de fines impulsions r6guli6rement espac6es.

Le schema de principe de cette chMne est donn~ par la fig. 8; il ne diff6re que tr6s peu de celui donn6 pour les P M X P I l l 0 . Les alimentations stabilis~es sont du m~me type, et 1A aussi des r~sistances R52, R55 sont pr~vnes pour 6viter certaines d~charges dans les phototubes. C o m m e la haute tension d'utilisation des PM 56 A V P peut varier dans de grandes proportions, de 1500 V A 3200 V par exemple, et qu'il est pr6f~rable que les tensions sur les derni~res dynodes puissent aussi varier, nous avons pr6vu un syst~me de c o m m u t a t i o n automatique p o u r les alimentations secondaires, afin de ne pas exc~der les tensions limites des transistors de la chalne (cf. fig. 9). Les potentiom6tres p o u r le r~glage des focalisatrices sont accessibles sur le panneau avant ainsi que les dix commutateurs qui permettent d'ins6rer dans chaque C.A. dix diodes zener de 50 V. La r~sistance dynamique de ces diodes n ' a pas &influence g~nante pour la stabilisation en tension du PM, car ce sont les alimentations en parall61e sur les quatre derni~res dynodes qui fournissent l'appoint de courant n~cessaire aux PM, si bien que pendant les longs trains d'impulsions le courant d6bit6 par l'alimentation haute tension reste sensiblement constant. Les fig. 10 et ll nous montrent les performances ~lectriques comparatives entre cette cha~ne et une chalne r6sistante pure d6bitant 10 mA. LS. aussi, nous utilisons une lampe 5. n6on pour 6clairer le PM pendant 250 msec chaque seconde; le flux lumineux est tel que nous exc6dons de beaucoup la puissance continue admissible sur l'anode du PM. N o u s avons en effet (cf. fig. 10) 6 V sous 125 f2, ce qui repr6sente 5. peu pros 50 mA pendant un quart de seconde, soit 12 m A de courant continu. Cet essai rut conduit p o u r garantir le bon fonctionnement de la chaine lorsqu'elle alimente quatre 56 AVP en parall61e. L'int6r~t des chalnes 5. haut courant ne rdside pas seulement dans la transmission correcte de longs trains

147

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50V

+

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H.T,

(-2 to-32kV)

-

~4x220k

,"4

R1

T~ 2N1614

° ......

R17 5,6k

-50V

o

E:::3 R27 lk

R24 lk

R21 Ik

RI~ lk

07 ZF15

D5 ZFI8

[:>'4 08 ZF18

D6 ZF12

D(, ZF18

D2 D3 ZF22 ZF22

R25 10k

-50V

. . . .

. . . .

2N1614

T6

-50 V

2N1614

-50V

2N 1614

T4

-50V

2N1614

Jo

-]o

S . p p , ~ " H T"

Interlock

p....

To

. . . .

o

Fig. 9. Schdma de la carte de commutation automatique p o u r l'alimentation des 56 AVP.

250/C400

_

330/3W

R19 1Ok

~o2oo

e

-

~

__i

-

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r

I

'

I ~

275V

220V

o 350v

o

o

0V

J

To Tronsforrr~r >(set Orawing 42~n-1AO1

C~

CHAINES

D'ALIMENTATION

DE st~CURITI~

149

Fig. 10a. Aspects du train d ' i m p u l s i o n s produit p a r la lumi~re n6on s u r l ' a n o d e d u 56 A V P , avec notre chaine d ' a l i m e n t a t i o n et u n e charge de I25-O. t~chelle : 2 V/div.; 50 msec/div.

Fig. 12. O s c i l l o g r a m m e o b t e n u avec le m 6 m o s c o p e , de la superposition de la lumi6re P E K et de la lumi~re n6on, sur l ' a n o d e du 56 A V P ; charge 125 g2, 1 nsec/div.; 2 V/div., avec la cha~ne stabilis6e.

Fig. 10b. I m p u l s i o n c o r r e s p o n d a n t e sur la d y n o d e no. 14 du 56 AVP. I~chelle : 1 V/div.; 50 msec/div. M 6 m e r e m a r q u e concernant le ronflement r6siduel que p o u r la fig. 9b.

Fig. l l a . Aspect d u train d ' i m p u l s i o n s p r o d u i t p a r le m ~ m e flux de lumi~re n6on sur l ' a n o d e d u 56 AVP, aliment6 cette fois avec u n e chaine r6sistante d6bitant 10 m A ; la charge est de 125 $2. l~¢helle : 2 V/div. ; 50 msec/div.

]Fig. l l b . I m p u l s i o n c o r r e s p o n d a n t e sur la d y n o d e no. 14 d u 56 AVP. t~chelle: 100 V/div.; 50 msec/div. La tension continue au repos 6tant de l'ordre de - 340 V, l'arriv6e du flux de lumi6re n6on a n n u l e p r e s q u e la t e n s i o n entre la d y n o d e 14 et l'anode.

Fig. 13. M 6 m e s r e m a r q u e s et conditions de m e s u r e q u e p o u r la fig. 17, seule la chaine est chang6e; il s'agit ici d ' u n e chaine r6sistante p u r e d6bitant 10 m A .

d'impulsions, mais aussi dans la stabilisation du temps de transit dans le PM de chaque impulsion, m~me si la puissance demand6e/~ la cha~ne d'alimentation varie dans de fortes proportions. En effet, dans le cas d'une chaine r6sistante, si le courant des derni6res dynodes augmente, cette variation se r6percutera jusque sur la premi6re dynode. Seule la tension entre photocathode et masse restera constante puisqu'en g6n6ral l'alimentation haute tension est tr6s bien stabilis6e. Cette perturbation g6n6rale du potentiel entre les dynodes influencera le temps de transit et le gain du PM.

150 0~

A. LOOTEN I

i

2

3

4

5

I ~

6

l

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8

I

9

lOnsec

l

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Chcdne stc~lis6e

2

1

0 42

2

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3

4

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i

~

6

7

8

9

10 nsec

Chaine slabiIis~e

6

8

o

8

mi~,re PEK+Neon 10

~k. " " - ' / "~

12

~ d/

• Lumi~re PEK o Courbe normals~e

~ ~'A Lumi&e PE K÷ Neon . , A / / • Lumi&e PEK "'A"~'xY" o Courbe norrno.lis~e

~ , .

l&

14

V

0

10

V.

1

2

3

4

5

2

6

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8

9

I0 nsec

0

Chcline resistive

2

1

-

"~

2

3

4

I

1

I

5

6

7

B

9

i

I

i

I

1

10 nsec I

--

Chalne resfstlve

4 6 8

\

B

10

10

12

12

14

14 16

V~

V

Fig. 14a, b. Normalisation en amplitude des oscillogrammes des figs. 12 et 13.

Fig. 15a, b. Normalisation en amplitude des oscillogrammes.

Pour mesurer ces variations dans les conditions les plus proches du fonctionnement r6el, nous avons 6clair6 un 56 AVP avec une lampe & titanate de baryum et & atmosphere d'hydrog6ne, et une lampe au n6on. I.a premi6re donne des impulsions lumineuses tr6s br6ves, 2 nsec. Elle est attaqu6e (50 fois par seconde) par un g6n6rateur d'impulsions haute tension qui d61ivre aussi un signal de d6clenchement pour l'oscillographe ~t 6chantillonnage, ce sera notre base de temps. La deuxi6me lampe 6claire le PM pendant 250 msec routes les secondes. Les flux lumineux d61ivr6s par ces lampes sont ajust6s s6par6ment par des diaphragmes. Sur le tube cathodique ~t m~moire nous obtenons directement deux traces correspondant soit l'6clairement de la lampe ~t hydrog6ne, soit ~t l'6clairement simultan6 des deux lampes.

Nous mesurons 6galement les perturbations de tension sur D14. Les clich6s des fig. 12 et 13 montrent les impulsions ~t l'anode du PM pour diff6rents 6clairements de la lampe ~ n6on, le flux de la lampe ~t hydrog6ne est maintenu constant. Nous normalisons ensuite les amplitudes (cf. les courbes des figs. 14 a, b; 15 a, b et 16 a, b) pour obtenir les variations du temps de transit en fonction des perturbations de tension sur D I4, la courbe de la fig. 17 r6sume ce r6sultat. C o m m e nous avons aussi mesur6 les impulsions anodiques correspondantes, nous pouvons tracer tes courbes (cf. fig. 18) qui expriment la variation du temps de transit dans le PM en fonction du courant continu qu'il d61ivre, et ceci pour les deux types de cha]nes que nous avons essay6s. La photo de la fig. 19 montre qu'~t partir d ' u n

CHAiNES

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

I

I

I

I

i

i

I

i

i

I

I

~

D'ALIMENTATION

DE S E C U R I T E

151

10 rLsec i

mA 3

Chaine stabilis~e

24_

2.5 z/

8 10

~,.

"

/~

re PEK÷Neon o Courbe normcllisee

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I

I

I

I

I

I

i

~

i

0.5

10 nses

Chaine resistive

2

200

400

600

800

1000

1200 ~t p se¢

4

Fig. 18. C o u r b e s e x p r i m a n t la variation du t e m p s de transit dans le P M 56 A V P en fonction d u c o u r a n t c o n t i n u d61ivr6 sur s o n anode, dans le cas d ' u n e chaine stabilis6e et d ' u n e chaine r6sistante pure d6bitant 10 m A .

6 8

\~

°/

/,

10~ 12 14 V

Fig. 16a, b. N o r m a l i s a t i o n en a m p l i t u d e des oscillogrammes.

~v Dlt,

V 60 .-

i

"

Z'Ot

~

30'

'i

'

200

cO0

~

"

l

i

L

600

800

I000

I

~

~200 ,St p sec

Fig. 17. C o u r b e e x p r i m a n t la variation du t e m p s de transit dans le P M 56 A V P en fonction de la variation de tension sur la d y n o d e 14.

Fig. 19. Oscillogramme o b t e n u avec le m 6 m o s c o p e , de la superposition de la lumi6re n6on et de la lumi~re P E K ; charge 125 ~ , 1 nsec/div.; 2 V/div. chaine r6sistante pure de 10 m A .

152

A. LOOTEN o b t e n u avec la chaine d ' a l i m e n t a t i o n que nous av o n s d6velopp6e.

tN

%

,

Fig. 20. M6mes remarques, conditions de mesure et d'dc[airement que pour la fig. 19, mais avec une chaine stabilis6e de notre type. certain niveau d'6clairement, la chaine r6sistante ne p e r m e t plus au P M de t r a n s m e t t r e l ' i m p u l s i o n lumineuse de r6f6rence q u a n d elle t o m b e en coincidence avec la lumi~re du n6on. La fig. 20 m o n t r e le r6sultat

Je tiens A remercier ici les D o c t e u r s L. Dick, L. di Lella et G. Gr6goire ainsi q u e M . J . D u f o u r n a u d p o u r leurs id6es et co n v er sat i o n s fructueuses qui me p e r m i r e n t de m en er /~ bien ce travail. M . W . H u t a assura la r6alisation compl6te des deux p r o t o t y p e s et c o l l a b o r a 6 t r o i t em en t ~ la mise au p o i n t de ces appareils. La construction des h o d o s c o p e s et des bases moul6es p o u r 5 6 A V P et X P I I 1 0 fut r~alis6e par M. A. Kupferschmid.

R~f~rences

1) R. T. Bell et al., Measurement of the polarization parameter in ~+-p, K+-p and p-p elastic scattering at 14GeV/c, 14th Intern. Conf. High-Energy physics (Vienne, 1968); High-rate data acquisition system for counter experiments, Colloque intern, sur l'dlectronique nucldaire (Versailles, 1968). e) A. Looten, Ph6nom~ne de claquage dans les photomultiplicateurs et sa suppression par une chainc d'alirnentation appropri6e, Rapport interne NP 68-24 (Juillet 1968).