electronique nucleaire

Electronique Nucléaire 1
ELECTRONIQUE NUCLEAIRE
Lors du cours précédent, vous avez vu le fonctionnement d’un certain nombre de détecteurs. D’une
façon générale, ces détecteurs fournissent des informations sous forme de signaux électriques. En
fait, un détecteur est un capteur, assimilable la plupart du temps à un condensateur dont la charge
q = ne collectée correspond au signal laissée par la particule (souvent proportionnel à l’énergie
déposée dans le détecteur).
Les signaux issus des détecteurs étant généralement très faibles, il est indispensable de les amplifier,
en conservant une grande linéarité. De plus, pour une bonne résolution, il faut un rapport signal/bruit
de très bonne qualité. Ceci peut être obtenu par des circuits d’amplification et de mise en forme qui
jouent aussi le rôle de filtres de fréquence.
Ces signaux, il va falloir les transporter, les traiter, les comparer et éventuellement les stocker.
En plus du rôle d’amplificateur de tension et de circuit de mise en forme, l’électronique associée au
détecteur permet le transport de l’impulsion sans déformation jusqu’au circuit de mesure final. Nous
verrons qu’il sert d’adaptateur d’impédance.
Schématiquement, une chaîne de détection se présente sous la forme suivante :
• Le signal fourni par un détecteur étant souvent très faible, on branche un
préamplificateur directement sur sa sortie pour amener le signal à un niveau correct.
• la chaîne analogique a pour but d’amplifier, de filtrer et de mettre en forme le signal.
• La chaîne logique gère le temps, compare les signaux et prend finalement des
décisions.
• Le Convertisseur Analogique Numérique convertit, comme son nom l’indique, les
signaux analogiques en signaux numériques. On l’appelle aussi Codeur.
• La partie de la chaîne qui suit le codeur est généralement gérée par un système
d’acquisition de données.
Dans ce cours, nous allons faire une revue (non exhaustive) des logiques et techniques utilisées.
De nos jours, l’électronique nucléaire est très standardisée (et c'est tant mieux pour l’utilisateur !) : on
la trouve sous forme de modules qui réalisent certaines fonctions bien définies. Il existe des standards
(NIM, CAMAC, VME,...), qui ont des caractéristiques mécaniques et électriques permettant une très
bonne interconnexion.
Nous traiterons généralement les modules comme des « boîtes noires » sans entrer dans le détail de
leur architecture électronique (sauf quand une description plus détaillée est nécessaire pour
comprendre le fonctionnement ou permettre un choix intelligent).

Electronique Nucléaire 2
Les Impulsions et la Transmission du signal
1. Impulsions
1.1 Terminologie
Comme nous l’avons vu, les détecteurs fournissent des informations sous forme de signaux
électriques de type « impulsion ». Nous pouvons définir la terminologie associée aux impulsions en
instrumentation nucléaire :
• la ligne de référence (Baseline) : elle vaut
typiquement zéro, mais il se peut qu’il existe un
niveau continu (positif ou négatif) sur lequel le
signal s’ajoute.
• l’amplitude (Pulse Height) : valeur maximale de
la grandeur mesurée (par rapport à la ligne de
référence).
• le front montant (Leading Edge).
• le front descendant (Falling Edge).
• le temps de montée (Rise Time) : temps
nécessaire pour passez de 0,1 à 0,9 de
l’amplitude.
• le temps de descente (Fall Time) : temps
nécessaire pour passer de 0,9 à 0,1 de
l’amplitude.
• la largeur du signal (Width) : elle est
généralement mesurée à mi-hauteur et on parle
alors de FWHM (Full Width at the Half-
Maximum).
Dans la pratique, ces signaux peuvent être affectés
de distorsions comme les overshoots et
undershoots, tilts et oscillations.
De plus, on distingue les signaux unipolaires
(Unipolar) et bipolaires (Bipolar). Les
premiers sont ceux pour lesquels il n’existe
qu’un lobe principal d’un même coté de la ligne
de référence (excepté un petit undershoot
possible).
Les seconds ont deux lobes de polarité
opposée par rapport à la ligne de référence.
Ces deux types d’impulsions sont utilisées en
électronique nucléaire.
BIPOLAIRE
UNIPOLAIRE

Electronique Nucléaire 3
1.2 Signaux analogiques, logiques et numériques.
Nous distinguons habituellement deux types de signaux bien distincts :
• les signaux analogiques linéaires : leurs caractéristiques (souvent l’amplitude ou
l’intégrale) sont directement reliées à l’information véhiculée.
• les signaux logiques : ils ne peuvent prendre que deux valeurs (présent/absent,
0/1,...). Ils peuvent être représentés par des signaux analogiques pour lesquels on
définit un état haut et un état bas. Il existe différentes logiques (NIM, TTL,...) qui
correspondent à différentes conventions.
Nous traiterons également de signaux numériques (Digital). Un signal logique est en fait déjà un
signal numérique car on peut le symboliser par un « bit » d’information (0 ou 1). Cependant, un signal
numérique est généralement composé de plusieurs bits d’information :
7 bits correspondent à 27 = 128 valeurs différentes
8 bits correspondent à 28 = 256 valeurs différentes
M M M M
12 bits correspondent à 212 = 4096 valeurs différentes
On peut ainsi échantillonner un signal analogique en un signal numérique. Cet échantillonnage va
engendrer une perte d’information (de précision), mais d’un autre coté, cette information sera
« préservée » car beaucoup moins sensible au bruit et à la distorsion (On peut se rappeler du débat
entre les partisans du son analogique et ceux du son numérique !). De plus, nous verrons qu’il est
nécessaire d’utiliser des signaux numériques pour tout traitement informatique.
2. Transmission du signal
Un des problèmes rencontrés dans tout montage électronique est la liaison à assurer entre les
différents modules. Celle-ci doit de faire en évitant au maximum les chutes de tension et en évitant de
récolter des parasites.
2.1 Les câbles de liaison
Traiter des câbles de liaison peut paraître trivial au premier abord, mais nous allons voir qu’il n’en est
rien et qu’ils ont une importance capitale.
Pour transporter le signal, on utilise des câbles
coaxiaux constitués d’un conducteur central en
cuivre entouré d’un isolant et recouvert d’une
tresse métallique (de cuivre elle aussi). Cette
tresse sert de blindage et permet de relier tous
les modules à une masse commune.
2.2 L’équation de propagation dans un câble coaxial
La transmission du signal dans un câble coaxial peut être traitée comme la propagation d’une onde
(attention, un câble coaxial n’a rien à voir avec un guide d’onde).
Un câble coaxial étant composé de deux
conducteurs séparés par un diélectrique, un
élément de ce câble peut être représenté par le
schéma équivalent suivant :
Ldx et Cdx sont les auto-inductance et capacité (inhérentes) de l’élément de câble de longueur dx,
alors que Rdx et 1/Gdx représentent les défauts du conducteur (résistance R) et de l’isolant
(admittance 1/G).

Electronique Nucléaire 4
Un traitement (rapide) du problème aboutit à une équation du type :
()
RGv
t
v
RCLG
t
v
LC
x
v+++=
∂
∂
∂
∂
∂
∂
2
2
2
2
(on obtient une écriture en tout point identique en i)
Afin de faciliter la résolution de cette équation, nous allons considérer un câble parfait (R=0 et G=0).
Cette approximation est valable pour des longueurs relativement courtes (de l’ordre de quelques
mètres) pour lesquelles les effets de R et G sont négligeables. L’équation devient :
2
2
2
2
t
v
LC
x
v
∂
∂
∂
∂
= : on reconnaît l’équation caractéristique de la propagation d’une onde.
La vitesse de propagation est alors LC
c1 =.
On exprime le plus souvent la quantité inverse LCcT == −1 qui représente le temps de propagation
par unité de longueur. Ce temps de propagation (parfois appelé retard) ne dépend que du diélectrique
utilisé et de ses rayons interne et externe. Il est typiquement de l’ordre de 5 ns/m pour les câbles
standards utilisés en instrumentation nucléaire.
Pour ces mêmes câbles, la capacité équivalente vaut de l’ordre de 100 pF/m, qui peut s’avérer très
importante dans l’élaboration du signal.
2.3 Impédance
Une solution générale de l’équation d’onde peut s’écrire comme la somme de deux ondes, l’une se
propageant dans le sens des x croissants, l’autre dans le sens opposé (x décroissants). Cette
seconde onde correspond à une réflexion, et sa présence (ou absence) dépend des conditions aux
limites.
On définit également une grandeur fondamentale qui est l’impédance caractéristique du milieu dans
lequel se propage l’onde.
Dans le cas de notre câble coaxial parfait, on a C
L
Zc= .
Tout comme le temps de propagation, cette impédance ne dépend pas de la longueur, mais
uniquement des caractéristiques du diélectrique. L’impédance des câbles utilisés est typiquement de
l’ordre de 50
Ω . (il existe aussi des câbles de 93 Ω )
Suivant la valeur de l’impédance de la charge du câble, l’amplitude de l’onde réfléchie varie. Les
différents cas d’adaptation (ou non) d’impédance sont regroupés dans le tableau suivant :
impédance de
charge Amplitude réfléchie
0 -A
de 0 à Zc entre -A et 0
Zc 0
de Zc à l’∞ entre 0 et A
∞ A
• Si le câble est terminé par une impédance
égale à son impédance caractéristique, il
n’y aura pas réflexion, et tout se passe
comme si le câble était infini ; c’est la
configuration que l’on recherchera la
plupart du temps.
• Sinon, il existe des réflexions dont
l’amplitude peut varier de -A à A, A étant
l’amplitude de l’onde incidente.

Electronique Nucléaire 5
3. Le Standard NIM
Le premier et le plus simple des standards établis pour la physique nucléaire et la physique des
Hautes-Energies est un système modulaire appelé NIM (Nuclear Instrument Module).
Dans ce système, chaque fonction électronique (que nous décrirons plus loin) est construite sous la
forme de modules répondant à des spécifications mécaniques et électriques bien précises. Chaque
module peut alors s’insérer dans un châssis, et l’utilisation conjointe de différents modules s’effectue
au gré des besoins de l’utilisateur. Ce système est d’une très grande flexibilité car il permet
d’échanger rapidement les modules, d’en remplacer une partie et d’utiliser un module dans différentes
configurations d’expérience.
3.1 Modules
Des exemples de modules NIM sont représentés si dessous. Ils répondent à des critères aussi bien
mécaniques qu’électriques. La largeur d’un module standard est de 3,43 cm (1.35 in) et sa hauteur de
22,225 cm (8.75 in). Cependant, un module peut avoir une largeur multiple de la largeur standard
(module double, triple,...)
L’alimentation électrique est fournie par l’intermédiaire d’un connecteur situé à l’arrière des modules.
Ces modules doivent être enfichés dans un châssis (figure de droite ci-dessus) qui permet cette
alimentation électrique par l’intermédiaire des connecteurs visibles en partie basse.
Une description détaillée des différentes bornes de ces connecteurs est donnée sur la page suivante.
Un châssis NIM standard peut recevoir 12 modules de simple largeur. Il leur fournit au minimum les 4
valeurs de tension d’alimentation (-12 v, +12V, -24V et +24V) correspondant à la convention NIM,
mais bien souvent il fournit également du -6V et +6V. Ces différentes valeurs correspondent à des
bornes particulières sur les connecteurs, mais on remarque que des bornes sont disponibles
(SPARE) pour une utilisation particulière.
3.2 Signaux analogiques
Bien qu’il existe 3 plages de signaux analogiques dans le standard NIM (0 à 1V, 0 à 10V et 0 à 100V),
le domaine de fonctionnement le plus utilisé (et commercialisé) est celui de signaux positifs entre 0 et
10 V.