COSMIX, Présentation du détecteur
Le détecteur de muons
Le projet COSMIX vise à mettre à disposition des professeurs de Lycée des détecteurs de muons du rayonnement cosmique très simples d’utilisation. Ces détecteurs mettent à profit le « recyclage » de barreaux de scintillateur d’iodure de Césium (CsI) et leur électronique associée, utilisés précédemment pour des tests avant le lancement du télescope spatial à rayons gamma Fermi-LAT en 2008. Ces barreaux sont exactement similaires à ceux équipant le calorimètre du Fermi-LAT, mesurant l’énergie des rayons gamma. Le détecteur est robuste, léger, facilement transportable dans une petite mallette et ne nécessite qu’un câble USB pour son alimentation.
Au passage d’une particule chargée, un scintillateur produit de la lumière visible, qui peut être convertie en impulsion électrique par un photomultiplicateur ou une photodiode, comme ici.
La figure ci-dessus présente un barreau nu (dimensions 32 cm x 3 cm x 2 cm, poids 1kg) du Fermi-LAT. On aperçoit les 4 broches dorées placées aux extrémités correspondant aux connecteurs des photodiodes de Silicium. Chaque photodiode est en fait double, comme montré ci-contre (seule la partie de grande surface est utilisée dans Cosmix). La charge électrique collectée est convertie en une impulsion en tension par des préamplificateurs placés au contact de la photodiode. Cette impulsion est amplifiée et mise en forme par des amplificateurs. Afin de pouvoir disposer de deux détecteurs indépendants, le barreau a été coupé en deux, comme montré ci-dessous. Les boitiers cuivrés contiennent les préamplificateurs alors que les amplificateurs sont logés dans le boitier en aluminium. Les signaux correspondant à chacun des deux demi-barreaux sont disponibles sur des sorties BNC.
L’alimentation de l’ensemble se fait grâce à un simple cable micro-USB (5V).
La figure ci-dessous montre l’entrée USB pour l’alimentation. La consommation est de 150 mA. Le dispositif est sans aucun réglage et inusable. Dans l’utilisation que nous en avons au CENBG (photo ci-dessous), nous visualisons les signaux sur un PC portable à l’aide d’un petit oscilloscope numérique (cout : 300 euros) également alimenté par USB, ce qui rend le dispositif absolument transportable et utilisable sans le secteur (et donc opérationnel en voiture, en montagne, en avion…). Cependant n’importe quel oscilloscope très élémentaire de lycée permet de visualiser ces signaux.
La valise COSMIX
Afin de rendre le dispositif facilement transportable, il a été intégré dans une valise. Lors des premières présentations du projet, il est apparu qu’au-delà de la visualisation des signaux produits par le détecteur, il existait un fort intérêt pour le comptage des évènements. Le dispositif a donc été complété par un système de comptage des muons basé sur une simple carte arduino.
Un premier prototype a été testé lors du printemps 2013, deux autres aux caractéristiques légèrement différentes ont été construits durant l’été.
Le premier prototype est contenu dans la valise I, les prototypes de seconde génération dans les valises II et III.
Valise I
Valises II et III
Ces prototypes ont circulé dans les établissements de l’académie de Bordeaux à partir de la rentrée 2013. L’objectif de cette campagne d’essai a été de valider l’intérêt du concept afin de pouvoir lancer la production de la quarantaine de mallettes construites à partir des barreaux des barreaux de scintillateur disponibles. Au cours de cette campagne de test plus de 2000 élèves de l’académie de Bordeaux ont assisté à une séquence de cours mettant en œuvre COSMIX.
Cette campagne de tests à large échelle a permis d’une part de figer le design et de vérifier la robustesse du dispositif et d’autre part de valider le principe de la prise en main autonome du dispositif par l’enseignant.
Le design final COSMIX
A la suite de la campagne de test de 2013, le design final de COSMIX a pour l’essentiel été figé (Acquisition avec une Arduino Mega et affichage sur un écran LCD 16×2). Une première série de 18 mallettes a été produite au printemps 2014 (Numéro de série 2-xx), dix de ces mallettes ont été financées par la région île de France et sont destinées à circuler dans les Lycées sur un modèle comparable à celui mis en œuvre à Bordeaux (La mallette reste une à deux semaines dans un établissement avant d’être transmise à un autre, l’objectif étant de maximiser l’utilisation de l’équipement), les huit autres sont hébergées dans des laboratoires de l’IN2P3 et sont destinées aux actions de communication vers le public.
Une nouvelle série de 27 mallettes (Numéro de série 3-xx), a été produite durant le printemps 2015, 12 de ces mallettes sont destinées à circuler dans les Lycées de la Région Aquitaine et viennent ainsi concrétiser un partenariat initié il y a plusieurs années. L’unique modification apportée à cette troisième série est le remplacement du routage par fil des éléments de l’Arduino par une carte mezzanine devant améliorer la robustesse globale du dispositif d’acquisition. Cette série épuise la réserve de barreaux d’Iodure de Césium provenant de Fermi et hébergée au CENBG, cette troisième série sera donc en principe la dernière à être produite. Au final, les 48 cristaux localisés au CENBG auront trouvé une seconde vie dans une mallette COSMIX.
COSMIX, Compter les muons avec Regressi
Compter les muons en utilisant le matériel du Lycée
Suite à la campagne d’évaluation de la mallette dans 15 lycées de l’académie de Bordeaux à l’automne 2013 et au retour des enseignants, il est apparu qu’il serait plus confortable de disposer d’un affichage de plus grande dimension des compteurs. Plutôt que de modifier la taille de l’afficheur LCD, solution coûteuse et potentiellement fragile, nous avons opté pour un interfaçage de la mallette avec Regressi, outil d’acquisition et de traitement des données couramment utilisé dans les lycées.
Interface COSMIX/Regressi
Jean Michel Millet a développé une interface Regressi qui pilote le dialogue entre le PC (Windows uniquement) et la mallette COSMIX. Les fonctionnalités de l’interface sont :
- La commande de la mallette (en parallèle avec les boutons)
- La visualisation des compteurs
- La sauvegarde des résultats des comptages dans Regressi.
Cette possibilité n’est pour le moment accessible que pour les mallettes II et III possédant la version m3.0 du code COSMIX.
Installation
Interface COSMIX/Regressi
Télécharger l’interface Cosmix pour Regressi sur la page de Jean Michel Millet.
Décompresser le fichier cosmixP.zip qui vient d’être téléchargé.
L’application porte alors le nom cosmixP.exe
Installation du driver USB/Série pour Arduino Mega 2560
Afin de pouvoir accéder à la carte Arduino via le port USB, il est nécessaire sous Windows, d’installer le driver USB/Série.
Décompresser le fichier drivers.zip qui vient d’être téléchargé.
Lors de la première connexion de la mallette, le gestionnaire de périphériques Windows va générer un message d’erreur, indiquant que le driver n’a pas été trouvé.
Si une fenêtre demandant où chercher le driver apparaît,
- sélectionner Installer à partir d’une liste ou d’un emplacement spécifié.
- sélectionner alors le répertoire dans lequel le fichier drivers.zip a été décompressé.
- Windows doit alors trouver le fichier arduino.inf.
Si la fenêtre d’avertissement ne s’affiche pas,
- aller dans le panneau de configuration, onglet système, sous-onglet gestionnaire de périphériques.
- sélectionner dans autres périphériques, périphérique inconnu.
- cliquer sur Mettre à jour le pilote.
- suivre la procédure précédente.
Le périphérique doit alors être reconnu et le gestionnaire de périphériques doit faire apparaître une ligne « Arduino Mega 2560 (COMx) » dans l’onglet Ports (COM et LPT).
Utilisation de l’interface
Lancement et Configuration d’une acquisition
Au lancement de cosmixP.exe, le programme va essayer de déterminer le port USB sur lequel est connecté la mallette.
L’aspect de l’interface au démarrage est le suivant :
Interface Cosmix Regressi (ouverture)
Une fois le port de connexion détecté, la fenêtre change d’apparence :
Interface Cosmix Regressi (connecté à Arduino)
Le bandeau de commande fait apparaître les boutons :
- « Voie serie » (normal puisque la connexion est établie) et « Regressi » en grisé.
- « Start »,« Stop », « Reset » et « A propos » en mode actif.
La fenêtre autorise la configuration du mode d’acquisition :
- ∞ si la Durée est fixée à 0.
- limité au nombre de minutes précisé pour toute autre valeur.
Attention, le choix du mode d’acquisition doit être transmis à la mallette en cliquant sur le bouton « Envoyer ».
Il est possible de vérifier que la commande a été prise en compte en vérifiant que le caractère en haut à gauche de l’afficheur LCD correspond bien au mode choisi (affichage « ∞ » ou « D »).
Acquisition
Les boutons du bandeau de commande permettent de piloter l’acquisition, ils doublent les boutons de la mallette.
- « Start » démarre l’acquisition
- « Stop » arrête l’acquisition
- « Reset » remets les compteurs à zéro.
En mode durée finie, l’arrêt de l’acquisition est envoyé par la mallette.
L’affichage suit la convention des couleurs de l’afficheur LCD.
- Vert lorsque la prise de données est active.
Interface Cosmix Regressi (running)
Interface Cosmix Regressi (run terminé)
Envoi des données vers Regressi
Après plusieurs acquisitions consécutives, le bouton « Regressi » du bandeau de commande devient actif.
Interface Cosmix Regressi (Bouton Regressi activé)
On peut, par exemple, s’intéresser à l’aspect statistique de la mesure.
En cliquant sur le bouton « Regressi », il est alors possible de transférer les données des différents comptages dans une feuille de calcul Regressi pour une exploitation éventuelle.
Données d’acquisition transférées dans Regressi (Durée 1mn)
COSMIX, Visualiser les signaux à l’oscilloscope
Utilisation
Pour une incidence verticale, les muons atmosphériques (qui ont une énergie moyenne d’environ 4 GeV et un flux de 1 cm^{-2}.mn^{-1} déposent une énergie d’environ 12 MeV dans le détecteur (il est à noter que c’est grâce à cette technique de détection des muons au sol que le LAT a été calibré [1] avant son vol). Ce dépôt d’énergie correspond à des impulsions de plusieurs centaines de mV. Cette amplitude est largement supérieure à celles provenant d’autres sources de rayonnement de la radioactivité naturelle ou du bruit propre du détecteur, ce qui rend le détecteur exempt de tout bruit de fond significatif.
Détecteurs éloignés (quelques cm)
Chaque détecteur compte indépendamment à environ 50 coups/min pour un seuil de déclenchement de l’oscilloscope de 100 mV pour la Valise I et 400 mV pour les Valises II et III, ce qui est compatible avec le taux de 1 cm^{-2}.mn^{-1} donné dans la littérature. Les taux de comptage des deux détecteurs sont quasiment identiques pour le même seuil de déclenchement de l’oscilloscope. La distribution angulaire des muons étant proportionnelle à \cos^2\theta où \theta est l’angle de leur trajectoire par rapport à la verticale, quasiment aucun muon ne traverse les deux barreaux simultanément, et il y a très peu de coïncidences. En fait, la majorité de celles-ci sont dues à l’existence de gerbes atmosphériques où deux particules différentes sont détectées par les deux barreaux.
Configuration « barreaux éloignés »
Configuration « barreaux éloignés » Capture d’écran d’un oscilloscope montrant l’absence de coïncidence des signaux provenant de deux barreaux éloignés. (Valise I)
Détecteurs superposés
Si l’on superpose les deux demi-barreaux, les coïncidences deviennent très fréquentes, de l’ordre de 40% ( 20 coïncidences/min), prouvant que la majorité des muons sont bien verticaux. Le taux de coïncidence décroit si l’on diminue le recouvrement entre les deux détecteurs soit longitudinalement soit transversalement.
Configuration « barreaux superposés »
Configuration « barreaux superposés »Capture d’écran d’un oscilloscope montrant la coïncidence des signaux provenant de deux barreaux superposés. (Valise I)
COSMIX, Visualiser les signaux avec Synchronie
Les rayons cosmiques en utilisant le matériel du Lycée
La visualisation des signaux analogiques issus de COSMIX peut se faire aisément à l’aide d’un oscilloscope du Lycée. Les réglages caractéristiques pour obtenir une représentation correcte à l’écran (20μs/carreau pour la base de temps et 100mV/carreau pour le gain des voies) sont accessibles aux centrales d’acquisition de données modernes que l’on peut trouver au Lycée.
Matériel
Les données suivantes ont été prises à l’aide d’une centrale Eurosmart Sysam-Sp5 associée au logiciel Synchronie 2003, matériel mis d’ordinaire à la disposition des étudiants du Master Métiers de l’Enseignement en Sciences Physiques de l’Université Bordeaux.
Les deux sorties analogiques de COSMIX doivent être connectées à l’aide d’un câble BNC-banane aux entrées analogiques EA0 et EA1 de la centrale d’acquisition.
La mallette utilisée pour cet exemple est la Valise I.
Important : Pour les Valises II et III, les seuils de déclenchement doivent être portés à 400mV, cette valeur permet d’observer des impulsions cohérentes avec le comptage. En dessous de ce seuil, le niveau de bruit élevé risque de masquer les impulsions physiques.
Réglage des paramètres de Synchronie 2003
Entrées
Chaque voie est configurée en mode automatique. Les signaux analogiques ayant pour la plupart d’entre eux une amplitude inférieure à 500mV, un choix de calibre -1V/+1V est judicieux.
Acquisition (fonctionnement type oscilloscope).
Réglage
- Points : 1000
- Courbe : Remplacer
Durée
- Echantillon : 100ns
- (soit une durée totale de 100μs)
Options
- Mode permanent
Déclenchement
- Source : Entrée n°0 : EA0
- Niveau : 100mv (minimum proposé par le logiciel) convient, mais il est possible de rentrer « à la main » un seuil de 50mV (0.05) qui donnera un meilleur rendu à l’écran
- Condition : Sens montant
Fenêtre
Régler la configuration de l’échelle des ordonnées sur MANUELLE
- Minimum : -100m
- Maximum : 500m
-
- Courbe : Remplacer
-
Lancer l’acquisition (F10) …
Synchronie 2003 : Acquisition Cosmix « mode oscilloscope »Une douzaine de signaux muons visualisés à l’aide de COSMIX connecté à une centrale Eurosmart Sysam-Sp5. Remarque :Ici, la coïncidence est systématique car le dispositif utilisé présentait un barreau unique équipé de photodiodes à chacune de ses extrémités.
Sauvegarder les signaux de plusieurs muons
Entrées
Même configuration que précédemment.
Acquisition (fonctionnement une seule acquisition + ajouter).
Réglage
- Points : 1000
- Courbe : Ajouter
Durée
- Echantillon : 100ns
- (soit une durée totale de 100μs)
Options
- Pas d’option sélectionnée
Déclenchement
- Source : Entrée n°0 : EA0
- Niveau : 100mv (minimum proposé par le logiciel) convient, mais il est possible de rentrer « à la main » un seuil de 50mV (0.05) qui donnera un meilleur rendu à l’écran
- Condition : Sens montant
Synchronie 2003 : Acquisition Cosmix « mode acquisition unique »Un signal de muon visualisé à l’aide de COSMIX connecté à une centrale Eurosmart Sysam-Sp5. Remarque :Ici, la coïncidence est systématique car le dispositif utilisé présentait un barreau unique équipé de photodiodes à chacune de ses extrémités.
En lançant, plusieurs fois l’acquisition, on peut obtenir dans la fenêtre tableur les données pour plusieurs acquisitions. La sauvegarde des données dans un fichier tableur produit un fichier CSV.
Ce fichier peut être aisément relu et exploité avec un tableur, ou, encore mieux avec un script python qui permettra de faire le traitement des données de façons un peu plus satisfaisante.
COSMIX, Compter les muons
Suite aux premières présentations de COSMIX, il est apparu qu’il existait un réel intérêt des enseignants non seulement pour la visualisation des signaux analogiques « muons » à l’oscilloscope mais surtout pour l’aspect comptage de particules qui permet par exemple d’illustrer les problématiques de statistiques en physique.
Depuis le 14 mars 2013, COSMIX a donc pris une nouvelle forme et s’est enrichi de nouvelles possibilités de mesures.
Le détecteur est désormais solidarisé de sa mallette de transport à l’aide de puissants Velcro, ce qui rend le dispositif transportable dans de meilleures conditions de sécurités.
La platine supportant le détecteur a été élargie afin de pouvoir recevoir les nouveaux composants permettant de mettre en œuvre le comptage d’évènements.
La présence de ce nouveau dispositif ne modifie en rien la possibilité d’observer les signaux analogiques issus du détecteur, les connecteurs BNC sont toujours accessibles.
Après une phase de validation de cette Valise I auprès de plusieurs classes de Lycée durant le printemps 2013. Il a été décidé de développer deux nouvelles mallettes (Valises II et III) afin de mener une campagne d’évaluation du dispositif de grande ampleur au cours de l’année scolaire 2013-2014.
L’objectif est de valider le projet d’un point de vue non seulement technique mais aussi pédagogique afin de produire à terme une quarantaine de mallettes mises à disposition des établissements dans toute la France.
Les deux générations de prototypes, même si elles présentent beaucoup de similitudes pour ce qui est du principe de détection, diffèrent par certains points.
Valise I
Valises II et III
- Compter les muons avec la Valise I
- Compter les muons avec les Valises II et III
- Le film ( à télécharger et à lire avec VLC) qui explique l’utilisation des Valises II et III