Étude et validation des performances des modules de détection des caméras NectarCAM

Le module de plan focal

Le plan focal de la caméra NectarCAM est constitué de 265 modules de 7 pixels. Chaque regroupement est appelé un FPM. L’IRAP est responsable de la production et de la validation des modules de plan focal de la caméra.

La structure générale du FPM

Un FPM possède plusieurs éléments dont 7 unités de détection Detector Unit (DU) équipés de 7 tubes photomultiplicateur Photomultiplier Tube (PMT) soudés sur leur cartes d’alimentation et de pré-amplification High Voltage Pre-Amplifier (HVPA). Les 7 DUs sont connectés sur une carte interface Interface Board (IB) pour contrôler les DUs. Tout est assemblé dans une mécanique dédiée pour pouvoir être modulaire. Ses connecteurs à l’arrière permettent de véhiculer les 14 signaux analogiques (7 x HG et 7 x LG) vers la FEB, l’alimentation et le contrôle des détecteurs. Figure 2.8 – Le Focal Plane Module (FPM) version v2 — L x l x h : 15.9 ◊ 14.4 ◊ 14.4 cm — poids : 1309 g — consommation nominale : ≥ 150 mA (©photo A. Tsiahina, IRAP). 

La traçabilité de la production

 À part le PMT qui a sa propre numérotation Hamamatsu, chaque sous-élément possède un numéro PN 3/SN 4 afin de pouvoir le suivre à partir de leur début de fabrication jusqu’à la fin de vie. Le PN est constitué du code d’identification « 7.3N. » suivi par le numéro Product Breakdown Structure (PBS) de l’élément (par exemple 1.1.1.2 pour la carte HVPA) et de sa version « /V ». Le SN est le numéro de série, un entier à 4 digits pour les FPMs et à 5 digits pour les autres éléments. Il sont sous forme d’étiquettes 2D datamatrix (similaire à un QR code). Les PN/SN des produits sont : — AAXXXX pour le PMT, code alphanumérique (par exemple AB9290), collé sur sa gaine protectrice noire. — 7.3N.1.1.1.2/4/XXXXX pour la carte High Voltage Pre-Amplifier (HVPA), collé sur le circuit flex et derrière le connecteur Samtec. — 7.3N.1.1.1/4/XXXXX pour le Detector Unit (DU), collé à mi-hauteur du tube en aluminium. — 7.3N.1.1.2/4/XXXXX pour l’Interface Board (IB), collé au centre de la carte. — 7.3N.1.1/2/XXXX pour le Focal Plane Module (FPM), collé sur le flanc de la couronne noire en plastique. Chez l’industriel, ces marquages permettent un suivi de production pour l’inspection Automatic Optical Inspection (AOI) (inspection de la présence et de la qualité des soudures des composants, vérification de leur placement en X-Y et à l’aide d’un laser, réalisation des mesures de hauteur et coplanarité des composants et de leurs pattes, détection systématique de la moindre patte légèrement relevée) et Automatic X-ray Inspection (AXI) (plusieurs vues angulaires rayons-x pour obtenir des vues sur les couches internes ainsi qu’une visualisation 3D de l’objet analysé avec une très grande définition) pour les cartes câblées. Aussi, les PN/SNs sont très utiles pour le dépannage, le diagnostic rapide, la réparation et le suivi à distance de tous les éléments, testés sur les trois bancs de test (HVPA, IB et DU), depuis l’IRAP grâce à un système d’échange Microtec-IRAP par un serveur sécurisé

Les trois bancs de test dans la production industrielle Figure 2.16 – Photo des 3 bancs de test — de gauche à droite le banc DU, IB et HVPAs — L x l x h : 0,7 ◊ 0,7 ◊ 1,2 m (©photo C. Marty, A. Tsiahina, propriété IRAP-Microtec). Avant la phase de production, mon travail a été de participer à la conception de trois bancs de test, de les piloter, calibrer et de concevoir pour chacun leur interface homme-machine respectifs afin qu’ils puissent être utilisés par un opérateur chez l’industriel. La présente section décrit leur architecture, les tests et leurs diagrammes de fonctionnement. Les 3 bancs de test (voir Figure 2.16) ont pour but de valider les tests fonctionnels des cartes HVPA, IB et des DU lors de leur production chez l’industriel. Les tests fonctionnels sont les seuls qui permettent d’évaluer la fiabilité fonctionnelle. Ainsi les bancs de test sont absolument nécessaires pour évaluer les éléments produits. Cependant, l’ensemble des défauts des sous ensembles des FPMs, ne sont pas détectés par ces seuls test des bancs. En l’associant avec une inspection optique automatique (AOI) et aux rayons X (AXI) chez l’industriel, nous obtenons des performances de tests élevées. Depuis mi-2018, ces trois bancs ont été utilisés chez l’industriel pour la production des 61 FPMs qui ont été utilisés pour les tests à Adlershof en Allemagne (voir à la conclusion) ainsi que pour les 265 FPMs du modèle de qualification de la caméra après une maintenance à l’IRAP entre les deux productions. Quelques pièces mécaniques ont été changées, ajustées et des petites modifications des connecteurs, comme la mise en place de savers (connecteur épargnant) sur le banc de test des DUs pour éviter d’user les connecteurs principaux. Mon travail pendant la phase de maintenance a été de mettre des codes de tests à jour, de recalibrer les bancs suite à l’expérience de la production des 61 FPMs, d’implémenter des nouveaux tests fonctionnels (voir tableau 2.2) et des outils de diagnostic des pannes pour l’opérateur (voir Figure 2.18). La production des 265 modules a commencé mi-2019 et s’est terminée en janvier 2020