EDELWEISS traque les particules de la Matière Cachée avec LabVIEW et le PXI

Author(s):
Gabriel Chardin - CEA/Saclay

Industry:
Water/Wastewater, Research

Products:
Data Acquisition, LabVIEW, Multifunction DAQ, PXI/CompactPCI

The Challenge:
Détecter les interactions des particules WIMPS de la Matière Cachée.

The Solution:
Mettre en place une chaîne d’instrumentation utilisant une plate-forme PXI, reliée au PC par une liaison MXI-3.

Le département DAPNIA (Département d’Astrophysique, physique des Particules, physique Nucléaire et Instrumentation Associée), du CEA (Commissariat à l’Energie Atomique) de Saclay est spécialisé dans les projets de recherche fondamentale liés, entre autres, à l’astrophysique des particules.
Une très large fraction de la densité de l'univers, environ 95%, est de nature inconnue, même si l'on sait déjà qu'il ne s'agit pas de matière ordinaire. Le projet EDELWEISS a pour but de détecter les particules WIMPS, qui pourraient constituer la majeure partie de la matière manquante. Ces WIMPS ont la propriété d’interagir très rarement avec la matière. Le capteur mis au point, l’un des meilleurs au monde, permet de mettre en évidence des taux extrêmement faibles d'interactions, inférieurs à une interaction par jour et par kilogramme de matière. L’événement recherché risque donc d'être noyé dans le bruit de fond radioactif. De surcroît, l’interaction du WIMP avec le capteur se traduit par une élévation de température d’un millionième de degré Kelvin seulement, ce qui nécessite de plonger le capteur dans un cryostat d’une température proche du zéro absolu (10-2 K), et par l’émission d’une charge globale de quelques centaines d’électrons. Le capteur délivre un signal lié à la variation de température (DT) et deux signaux liés à la variation de charge (DQ), ce qui fait trois signaux par capteur. Ces signaux sont enregistrés en permanence afin de chercher à détecter les signaux qui émergent juste du bruit. Il faut donc les analyser en continu et développer des filtres qui permettront de déterminer s’ils sont dus ou non aux interactions de WIMPS.

Trois capteurs sont plongés dans le cryostat. Neuf signaux sont donc générés.Ceux-ci sont acheminés par liaison BNC vers un châssis PXI-1000B dans lequel se trouvent deux cartes d’acquisition (PXI-6052E + PXI-6070E). Ce châssis est relié à un ordinateur par une liaison fibre optique MXI-3. Sur le PC se trouve l’application développée avec LabVIEW.


Les six signaux DQ sont chacun échantillonnés en continu à 200 Kéch./s par la carte PXI-6070E. Cette fréquence d'horloge est divisée par 100 et l’horloge résultante est acheminée par le fond de panier vers la carte PXI-6052E qui va échantillonner les trois signaux DT à 2 Kéch./s. Les deux modules sont donc parfaitement synchronisés.

Les échantillons sont transmis au PC via la liaison MXI-3 et LabVIEW analyse en permanence les données on-line (amplitude, spectre...). Seule la donnée d’"amplitude" est archivée de façon continue, toutes les 10 ms et pour les neuf voies. Les données sont également soumises à un filtrage numérique et lorsque le résultat du calcul dépasse un seuil prédéterminé, on enregistre alors les données au voisinage de l'événement (1 seconde environ) afin de déterminer si elles traduisent l'interaction d'un WIMP. LabVIEW effectue alors un enregistrement binaire, pour les neuf voies, des données précédant et suivant l’événement.

Nous avons choisi LabVIEW car c’est un environnement que nous connaissons bien et qui a l’avantage de proposer de nombreuses bibliothèques de traitement du signal.

Au demeurant, LabVIEW est amené à traiter en permanence une quantité très importante de données et nous voulions soulager le processeur du PC. Le choix des cartes DAQ de National Instruments s’est imposé car ce sont elles qui, grâce à leur contrôleur DMA, prennent en charge le transfert des données sur le bus PCI. De plus, ces cartes peuvent synchroniser leurs horloges d’échantillonnage. Enfin, la solution MXI-3 permet, entre autres, un découplage optique entre le PXI et le PC, ce qui est parfait pour atténuer les interférences électromagnétiques qui viennent perturber les signaux. Finalement, nos objectifs sont atteints : les contraintes ont été respectées, le développement n’a pas posé de problème majeur... et EDELWEISS vient d'annoncer la meilleure sensibilité mondiale dans la recherche très compétitive des WIMPS !

Juin 2002

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Gabriel Chardin
CEA/Saclay
CEA/SACLAY - DAPNIA/SPP
Gif-sur-Yvette Cedex 91191
FR
Tel: 33 (1) 69 08 24 25
gabriel.chardin@cea.fr

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