1Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 Le Tellurure de Cadmium : imagerie et spectrométrie gamma O. Limousin CEA Saclay / Service d’Astrophysique.

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1 1Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 Le Tellurure de Cadmium : imagerie et spectrométrie gamma O. Limousin CEA Saclay / Service d’Astrophysique FRANCE avec E. Delagnes, P. Baron, F. Lugiez, O. Gevin, R. Chipaux, C. Blondel, B. Dirks, X. Coppolani, V. Mauguen, T. Tourrette, le CNES, et tout ceux que j’ai oubliés …

2 2Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 Sommaire … La R&D pour les détecteurs à petits pixels - axes de recherche - Quelques résultats prometteurs Les perspectives de progrès avec le CdTe L’état de l’art au DAPNIA Un avenir en CdTe à Haute énergie

3 3Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 L’état de l’art au DAPNIA: ISGRI

4 4Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 Une densité élevée (~ 6) favorable à la compacité Une résistivité élevée (10 9  cm) à température ambiante Fort potentiel pour la spectroscopie gamma Un Z élevé (Cd 48, Te 52) favorable à l’effet photoélectrique Le CdTe : le milieu détecteur par excellence de l’astronomie gamma …

5 5Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 Perte de charge et déficit balistique … temps Collected charge Perte de charge (piégeage) 15% 1 µs 10µs temps Déficit balistique (filtrage) 70% ~2µs

6 6Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 Correction de pertes de charges … Energie (keV) 050100150200 0 5000 Coups P/V ≈ 3 Energie (keV) 0 50 100 150 Temps de montée (µs) 0 4 8 2 6 Energie (keV) 050100150200 0 8000 Coups P/V ≈ 9

7 7Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 Le polycell ISGRI … 18 mm

8 8Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 Le MDU ISGRI …

9 9Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 Pour aller plus loin, il faut faire plus petit …

10 10Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 Les perspectives de progrès en spectroscopie et en imagerie

11 11Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 Semi- densité Z E gap   E intrinsèque conducteur [g cm -3 ] [eV] [eV/paire] [eV] à 100 keV Si 2.33 14 1.12 3.6 450 Ge 5.33 32 0.67 2.9 400 CdTe 5.85 48,52 1.44 4.43 700 CdZnTe 5.81 48,52 1.6 4.6 720 Takahashi and Watanabe, IEEE TNS, 2001; VOL 48; PART 4; PART 1, p 950 CdTe par rapport aux autres …

12 12Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 Augmenter la résolution spectrale en limitant les effets des pertes balistiques (CdTe Schottky, CdZnTe) Augmenter la résolution spatiale en utilisant des détecteurs monolithiques à anode segmentée Augmenter l’efficacité à haute énergie en utilisant des cristaux de grande épaisseur Analyser notre expérience au niveau instrument Les axes prioritaires …

13 13Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 Premièrement réduire les pertes balistiques - il faut un signal plus rapide o en montant la HT o en masquant la composante lente des signaux - il faut pouvoir intégrer le signal plus longtemps o il faut moins de courant (en diminuant la T°,électrodes bloquantes et/ou petits pixels) Comment améliorer la spectroscopie …

14 14Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 Deuxièmement les pertes physiques - il faut réduire le temps passé dans le détecteur par les porteurs de charges (donc un signal plus rapide) o en montant la HT o en sélectionnant les cristaux pour la mobilité de leurs porteurs (peu de perspectives) - il faut des cristaux très résistifs avec peu défauts (peu de perspectives) Comment améliorer la spectroscopie …

15 15Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 Trois approches différentes 1 - Les détecteurs CZT à électrodes capacitives o permettent de masquer le signal des trous sur des CZT épais o bon pour la haute énergie Comment améliorer la spectroscopie …

16 16Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 Trois approches différentes 2 - Les détecteurs CdTe « Schottky » avec ou sans anneau de garde o Courant de fuite faible (Peaking time + long) o On peut monter la tension et accélérer les porteurs o Bon pour la basse énergie Comment améliorer la spectroscopie …

17 17Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 Trois approches différentes 3 - Les petits pixels o Courant de fuite faible (Peaking time + long) o On peut monter la tension et accélérer les porteurs o On peut masquer les porteurs les plus lents o Les pixels peuvent être Schottky o Bon pour la basse ET la haute énergie Comment améliorer la spectroscopie …

18 18Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 S’il nous est permis de focaliser - Les petits pixels o demande pour des pixels de 500 à 750 µm o demande de grande surfaces de détection (~100 cm²) Comment améliorer l’imagerie … Si le champ de vue doit être immense - Les pixels « à la ISGRI » avec masque codé ou COMPTON o demande pour des pixels de 2 à 5 mm o demande de grande surfaces de détection (de 1000 à 3000 cm²)

19 19Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 Unification des observatoires X et gamma - C’est la résolution spatiale et la résolution spectrale qui sont importants (petits pixels) Les tendances scientifiques en astro HE … Les détecteurs X durs à grand champ - C’est le seuil bas de détection qui est important et par conséquent la résolution spectrale (pixels « simples », Schottky) Dans les deux cas E < 300 keV

20 20Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 Projet ECLAIRs : Détection des sursauts gamma de 4 à 300 keV Pour aller plus loin, il faut faire plus petit … 70 mm Projet SIMBOL-X : Détection X de 0.5 à 70 (200 ?) keV

21 21Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 La R&D pour Les détecteurs CdTe et CZT à petits pixels

22 22Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 La modélisation des Cd(Zn)Te … Geant 4 MGS Cadence ou Matlab

23 23Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 Les développements spécifiques en microélectronique … Famille de circuits IDeF-X

24 24Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 256 pixels CZT system …

25 25Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 Report des détecteurs … Report par « collage époxy » à froid Report par « collage » à froid avec Film ACF

26 26Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 ASIC et Détecteurs CdTe Quelques résultats récents et prometteurs

27 27Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 Montage d’un pixel sur IDeF-X / Interfaces CdTe Detector in its TO package

28 28Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 ISGRI : CdTe Pt/Pt 4x4x2 mm 3 / 120V / 0°C 5.6 keV FWHM Chemin parcouru depuis ISGRI … 2001 à 2005 2001 ECLAIRs IDeF-X V1.0: CdTe In/Pt 4x4x1 mm 3 / 600V / 24°C 1.8 keV FWHM 2005 R&T IDeF-X V1.0 : CdTe In/Pt 2x2x0.5 mm 3 / 340V / 24°C 1.1 keV FWHM (0.9 keV à droite) 0.73 keV FWHM à 13.9 keV 2005

29 29Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 Perspectives de progrès à basse énergie … 0102030 E (keV) R&T IDeF-X V1.0 : CdTe In/Pt 2x2x0.5 mm 3 / 340V / 24°C 0.73 keV FWHM à 13.9 keV R&T IDeF-X V1.0 : CdTe In/Pt 2x2x0.5 mm 3 / 340V / -30°C Détecteur monté sur hybride / modèle 0.52 keV FWHM à 13.9 keV 2005 2006 ?

30 30Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 Maquette « à plat » / CZT + IDeF-X V1.0

31 31Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 1.48 keV FWHM 1.33 keV FWHM -11° 500V / Matrice CZT 2mm / 64 pixels

32 32Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 Vs T° / Matrice CZT 2mm / 64 pixels Plateau dû aux interconnexions Limite haute pour SIMBOL-X

33 33Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 Les progrès récents sont surtout imputables : o aux progrès fantastiques sur les ASIC bas bruit o à la compréhension des interconnexions o à la compréhension des CdTe o à notre expérience du CdTe en vol o au travail d’équipe dans le DAPNIA Nous avons démontré le potentiel du CdTe pour la spectro-imagerie X et gamma o Amélioration de la résolution spectrale FACTEUR 5 o Amélioration du seuil bas (< 2 keV) o Utilisation de petits pixels de 900 µm, bientôt 500 µm o Maîtrise du détecteur depuis le cristal jusqu’à l’acquisition Conclusions … 1/2

34 34Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 Les enjeux pour les prochaines années : o la fabrication de syst. Hybrides (pour l’espace) o la très haute densité d’intégration o la basse consommation et le bruit o et les surprises à venir … Conclusions … 2/2 Les tendances CdTe : o les petits pixels refroidis vers -30°C o les détecteurs Schottky o les détecteurs modulaires

35 35Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 Un avenir en CdTe à haute énergie…

36 36Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 Futur Ici … La motivation est affaire de sensibilité …

37 37Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 Futur Ici … Ou là La motivation est affaire de sensibilité … SX

38 38Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 E (keV)  E intrinsèque  E total [eV] [eV] 13.9 262583 59.5 541751 122 775933 511 15801665 66218001875 133320842150 CdTe intrinsèquement si on résout la perte de charge complètement (?) … En considérant 50 e - rms de bruit électronique (ambitieux, n’est ce pas ?)

39 39Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 Si des optiques sont disponibles, le CdTe aura vraisemblablement des arguments dans la région du MeV La résolution spectrale à 511 keV sera certainement un point clé Sans optique, les détecteurs COMPTON, permettront de travailler en grand champ avec des empilements de matrices Transposer les concepts de petits pixels à plus haute énergie avec un chip dédié La suite à plus haute énergie …

40 40Olivier Limousin / DSM DAPNIA SAp7 Décembre 2005 1700 Etage Frégat de Soyuz 230 2350 ECLAIRs / SVOM ~2010 SIMBOL-X ~2012-2013 En attendant … Le pain est sur la planche