CE33 - Physique subatomique - Sciences de l'Univers -Structure et histoire de la Terre

Démonstrateurs de caméra pour l'astronomie des très hautes énergies – NectarCAM

NectarCAM, une caméra innovante pour l’astronomie des très hautes énergies

Construction d'une mini-caméra pour tester les performances d'une caméra destinée aux télescopes de taille moyenne de l'observatoire futur des rayons gamma de très haute énergie CTA.

L’astronomie des très hautes énergies, une sonde de l’Univers violent

L’astronomie des très hautes énergies est une discipline qui date d’une trentaine d’années. Elle vise à identifier les sources de photons de très haute énergie (mille milliard de fois celle de la lumière visible). L’identification de ces sources renseigne sur les mécanismes d’accélération des rayons cosmiques chargés, détectés pour la première fois il y a 100 ans par Victor Hess. La détection de la première source, la Nébuleuse du Crabe (1988) a été suivie par celle de plusieurs dizaines d’autres, notamment grâce aux résultats du réseau de télescopes H.E.S.S. dans les années 2000. Le projet CTA vise à construire le premier observatoire dédié aux hautes énergies, équipé de télescopes avec des tailles de réflecteur compris entre 4 et 23 mètres. <br />Le consortium NectarCAM a pour but de construire une caméra innovante pour équiper les télescopes de taille moyenne de l’observatoire CTA. Ces télescopes ont des réflecteurs de 12 mètres de diamètre et constituent le cœur du réseau CTA. Le consortium regroupe une quinzaine de laboratoires de France, Espagne et Allemagne. Une des difficultés de la conception de la NectarCAM est le nombre et la dispersion des équipes impliquées. La composante française, majoritaire, est dispersée entre Paris, Toulouse, Annecy et Marseille.

La caméra NectarCAM est constituée de 265 modules identiques et indépendants. Chacun de ces modules comprend sept photo-détecteurs, les haute-tensions associées, la lecture des données et le système de déclenchement. Les photodétecteurs sont lus en continu. Le signal attendu ne dure que quelques milliardièmes de secondes. Le déclenchement de la lecture est obtenu à l’aide d’une évaluation en continu de la quantité de lumière déposée dans plusieurs photo-détecteurs situés dans des modules adjacents. Une fois l’acquisition déclenchée, les données sont lues par Ethernet et écrites sur un disque.
Pour parvenir à la construction de la caméra NectarCAM, le consortium a établi une feuille de route basée sur des prototypes successifs. Ces prototypes ont d’abord testé les composants individuels. Les plus importants sont l’ « unité de détection » comprenant un guide de lumière, un photo-détecteur, la haute tension et la pré-amplification du signal et le module. La preuve de concept de NectarCAM ne peut-être obtenue qu’en construisant une mini-caméra avec un nombre suffisant de modules pour tester le déclenchement. Une mini-caméra avec 19 modules, un contrôleur de caméra et une acquisition complète avec un commutateur, un serveur de caméra, un serveur de temps a été installée à l’IRFU (CEA-Saclay).

La mini-caméra a permis de tester l’acquisition complète, de mesurer le temps mort et d’évaluer les systèmes de déclenchement. Ces tests ont été possibles grâce au financement de l’ANR qui a permis le déplacement des équipes sur le site d’intégration à Saclay. L’étape suivante est la construction d’une caméra complète pour CTA. Pour réaliser ce but, un nouveau consortium, impliquant de nouvelles équipes allemandes, brésiliennes, italiennes et polonaises est en voie de constitution. L’établissement de ce nouveau consortium a été possible grâce a la crédibilité obtenue avec les résultats de la mini-caméra.

Le projet « NectarCAM, camera demonstrators for Very High Energy Astronomy »est un projet de recherche fondamentale coordonné par l’IRFU (CEA-Saclay). Il associe également une quinzaine de laboratoires français des instituts CNRS/IN2P3 et CNRS/INSU, espagnols et allemands. Il a débuté en Novembre 2014 et a duré 27 mois. Il a bénéficié d’une aide de l’ANR de 65000 €. Le coût global de la première caméra NectarCAM sera de l’ordre de 2.5 M€.

Les résultats des tests de la mini-caméra ont été montrés aux conférences internationales ICRC 2015 (La Haye) et Gamma 2016 (Heidelberg). Ils ont également fait l’objet de multiples communications au sein du consortium CTA, en particulier aux réunions plé

Le consortium NectarCAM a pour but de construire une caméra innovatrice pour les télescopes Cherenkov. Le consortium regroupe quatorze laboratoires de France, Espagne et Allemagne et a un management composé de physiciens et d'ingénieurs du CEA/IRFU (Saclay), de l'IN2P3/LAPP (Annecy) et de l'IN2P3/LLR (Palaiseau). NectarCAM sera une caméra finement pixelisée et permettra de faire des images de gerbes atmosphériques en mesurant la quantitée de lulmière reçue par le télescope pendant une durée très brève de l'ordre de la nanoseconde. En plus de cela, elle aura la capacité d'enregistrer l'évolution temporelle complète avec un échantillonage en temps au GHz et de mesurer le temps d'arrivée de la gerbe avec une précision de l'ordre de la nanoseconde. Le rejet du fond de hadrons et les performances de la reconstruction cinématique seront améliorées par rapport aux caméras existantes telles celles de H.E.S.S. La preuve de concept de NectarCAM sera obtenue en construisant des démonstrateurs de caméra pour tester le système de déclenchement, la précision de la mesure temporelle et l'acquisition de données. La présente proposition demande un support financier de l'ANR pendant deux ans pour les frais de mission. Ces missions sont nécessaires à la fois pour l'installation des démontrateurs, la gestion de l'équipe internationale répartie entre trois pays et l'organisation d'ateliers.

Coordinateur du projet

Commissariat à l'énergie atomiques et aux énergies alternatives (Laboratoire public)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Commissariat à l'énergie atomiques et aux énergies alternatives

Aide de l'ANR 65 000 euros
Début et durée du projet scientifique : octobre 2014 - 24 Mois

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