CTA (Cherenkov Telescope Array Observatory) est l'observatoire terrestre de rayons gamma le plus avancé au monde, en cours de construction depuis 2019 au Chili et aux îles Canaries. Il devra permettre de couvrir l'ensemble du ciel, pour la première fois dans toute la gamme d'énergie gamma (entre 20 GeV et 300 TeV) afin de capter les signaux fugaces des évènements cosmiques, depuis les explosions de supernovae jusqu'aux trous noirs. Dans ce vaste programme international, le CEA-Irfu assure notamment la responsabilité scientifique de la caméra Nectarcam. À l'issue de nombreux développements, il vient de valider un élément clé de sa carte d'électronique frontale, la puce Nectar chargée de convertir les signaux lumineux en données numériques que les scientifiques peuvent ensuite analyser.
Développée au CEA-Irfu, la puce Nectar comprend un réseau de condensateurs commutés échantillonnant les signaux à 1 GHz et un convertisseur analogique-numérique de 12 bits pour numériser ces signaux à la réception d'un signal de déclenchement. Elle se base également sur une structure de mémoire analogique brevetée qui permet de réduire la consommation d'énergie d'un facteur 100 par rapport aux systèmes courants. Elle est ainsi capable de capturer le signal analogique délivré par les photomultiplicateurs de la caméra à un taux élevé de 109 échantillons par seconde, et de le stocker jusqu'à ce que l'ordre de lecture survienne.
La problématique du temps mort de la caméra
Un problème persistait toutefois, celui du temps mort de la caméra qui ne pouvait pas enregistrer de nouvelles données tout en traitant un signal, limitant l'efficacité du système surtout pour l'observation de phénomènes astronomiques à haute fréquence. D'où l'idée des chercheurs de développer en 2020 un mode « ping-pong » reposant sur deux mémoires tampon, l'une traitant le signal pendant que la seconde capture le prochain signal entrant.
« Ce fonctionnement alterné assure une acquisition continue des données et réduit considérablement le temps mort du système sans modifier le temps de lecture du réseau de condensateurs », indiquent Federica Bradascio, Eric Delagnes et Jean-François Glicenstein qui viennent de confirmer les performances de la toute nouvelle puce Nectar3 suite à une série de tests. Conduits dans la chambre noire de l'Irfu, en environnement thermiquement contrôlé et protégé de la lumière extérieure, ils ont utilisé différentes sources lumineuses : une source d'étalonnage pulsée, un laser ainsi qu'une source de fond de ciel nocturne. Les tests ont consisté à soumettre aléatoirement la caméra à des pulses lumineux pour estimer la fraction de temps mort en enregistrant le nombre de fois où elle les recevait et le nombre de fois où elle ne pouvait pas acquérir de nouveau signal car elle était en train d'en numériser un autre.
« Nos résultats démontrent que le mode ping-pong réduit la fraction de temps mort de Nectarcam à 0,5 % lorsque celle-ci acquiert des données au taux nominal de 7 kHz réalisant ainsi une diminution du temps mort d'un facteur 10 », confirment les physiciens et ingénieurs qui mènent à présent, avec des collègues du CNRS et de laboratoires espagnols et allemands, d'ultimes tests de la caméra sur le banc d'essai de l'Irfu avant l'installation d'une première Nectarcam fin 2025 sur le site CTAO de La Palma aux Canaries.