Pour les sous-groupes de travail PHOTODETECTEUR & CRYODETECTEUR et à partir des documents de synthèse rédigés par : Photodétecteurs Ph. Bourgeois, J.F. Genat Cryodétecteurs M. Fesquiet, E. Leblanc, S. Marnieros, C. Pigot, L. Rodriguez

Photométrie, Valorisation Introduction Photodétecteurs Quelques généralités Principaux photodétecteurs Résolution en énergie Evolutions  Pixellisation PM HPD CMOS SiPM Et les autres Cryodétecteurs Quelques généralités Principe Bolomètre massif Evolutions  Pixellisation Bolomètre Microcalorimètre Détection hétérodyne ??! Photométrie, Valorisation Conclusion

vaste vaste Domaines d’utilisation Détection de particule directe ou indirecte (calorimétrie et trajectographie) Identification de particule Imagerie astrophysique et médicale Spectrométrie Domaines d’utilisation vaste Hertzien  Antennes Infrarouge lointain  Bolomètres Infrarouge proche  Semi-conducteurs, composés lourds Visible, UV  Dispositif à photocathodes, semi-conducteurs X, Gammas  Bolomètres, composés lourds Domaines spectraux vaste

Avancées et objectifs Techniques d’imagerie Dynamique du signal Sensibilité spectrale Résolution spatiale Résolution en énergie (rapport signal/bruit) Tenue aux radiations Surface sensible et pixellisation Réduction de la puissance consommée Capacité de traitement des hauts flux de données (pixel) Intégration des systèmes au sein des détecteurs Augmentation de la fiabilité Diminution du coût Nouvelles méthodes de détection … Techniques d’imagerie

Photodétecteurs Tube a vide : Semiconducteur : Hybrid : PMT Pos. Sens. PMT MCP PMT Image intensifier Streak tube Semiconducteur : Photodiode (PIN) APD CCD Silicon strip Silicon pixel CMOS Hybrid : EBCMOS

PMT PIN HPD APD MCP CdTe CCD CMOS GasDet 1996 1999 2002 P I X E L S A Au Point R&D Amélioration CCD CMOS D’après J. Peigneux 2004 et … Pixellisation & Détection Photo e-

Les Photomultiplicateurs ont encore de beaux jours devant eux. PM caméra Les Photomultiplicateurs ont encore de beaux jours devant eux. Grand Gain Bonne QE Dynamique et linéarité Taux d’impulsions d’obscurité faible Détection du Photo électron Bonne homogénéité PM grande surface Grande surface de détection Grand Gain Bonne QE Taux d’impulsions d’obscurité faible Détection du Photo électron Hess 2 Euso Imagerie médicale Auger Antares Nestor Amanda Megatonne Hyper-K Hamamatsu Flat panel Photonis XP1805/D1

La faiblesse des PM & HPD : photocathode  faible QE ! HPD (Hybrid PhotoDetector) Intérêt : Bruit additif alors que pour les PM bruit multiplicatif (pas de facteur « Fano ») La faiblesse des PM & HPD : photocathode  faible QE ! Affinité électronique négative  Semi-conducteur Multiple réflexion (filtre interférentiel). Création de paires par ionisation (3,6 eV / paire électron-trou pour le Si) R&D

20 inch Spherical HPD light glass photocathode photoelectrons diode-2 reflector diode-1 diode-2 light photoelectrons Lead and support Bonne E.Q. Structure Simple Coût faible Taux de production Résiste à la pression

CCD (back illuminated) CMOS Image Sensor Très faible bruit par pixel; Résolution spatiale élevée (<10 µm); Grande vitesse de lecture (>10 MHz). Ionisation Détecteur de vertex Advantages : (/CCD) Random access to pixel and windowing capability CMOS fabrication Process based on high diffusion digital process (memories, µp, …) Low cost Capability of integration of peripheral functions (timing, control) Low power supply (5V – 3.3V) and power dissipation (50-100mW) No charge transfer over long distance Radiation tolerance R&D Parameter CMOS CCD (back illuminated) Pixel Pitch 9.6 µm Dark Current (300K) 30 pA/cm2 10 pA/cm2 Sensitivity 20 µV/e- 8 µV/e- Dynamic range 83.5 dB 94 dB QE (530nm) 50 % 90 % EBCMOS R&D

R&D Silicon Photomultiplier R 50 substrate Ubias 50V SiPM main features Insensitive to magnetic field Sensitive size 1x1mm2 Gain ~2.106 @ Ubias ~50V Recovery time ~ 100 ns/pixel Number of pixels: 1024 (Dynamic) QE ~20% @ 550nm (geometric) Dark noise Rate : ~1MHz/mm2 @ room temp ~1kHz/mm2 @ 100°K R 50 h pixels Ubias 50V Al DepletionRegion 2m substrate Resistor Rn=400 k 20m 42m R&D

R&D R&D CCD et CCD amplifié APD Photodiode (PIN) Photodétecteur gazeux : Micromegas avec photocathode sur mesh GEM … Silicium Amorphe déposé sur électronique On chip detector Grand surface possible … CMOS Visible se fait déjà Antenne décamétrique Photodétecteur organique ?? R&D R&D

Cryodétecteurs K. Arisaka

Cryodétecteurs Domaine d’application Matière noire (Edelweiss I et II) Rayonnement submillimétrique (Archeops, Planck, Hershel) Détection de rayon X (AstroE-2, Constellation-X, Xeus) Détecteurs Bolomètre massif Matrice de bolomètre MicroCalorimètre Développement récent de cryostat (< 300mK) pouvant être embarqué Développement d’une électronique bas bruit dissipant peu de chaleur Encore plus vraie avec la pixellisation  Multiplexage Beaucoup de R&D AsGA, Squid …

Les Bolomètres … Interaction avec les phonons Un bolomètre est généralement un cristal couplé à un thermomètre capable de détecter de très faible température : La chaleur spécifique diminuant avec la température, le bolomètre sera d’autant plus sensible à basse température. Le thermomètre est souvent une résistance :

R&D Localisation des Evts dans l’absorbeur Voie chaleur L'absorbeur du bolomètre est un cristal de germanium de 320 g. Lorsqu'un WIMP interagit dans le bolomètre, il fait reculer un noyau du cristal qui produit simultanément : des paires électron-trou  une impulsion d'ionisation une élévation de température du cristal  une impulsion dite de chaleur Localisation des Evts dans l’absorbeur Amplificateur rapide et bas bruit Voie chaleur Existe une partie transitoire R&D HEMT (High Electron Mobility Transistor) Voie ionisation Forme du signal Peuvent fonctionner à basse température Faible consommation

R&D Détecteur cryogénique pour l’Astronomie X  Spectro-Imageur CCD (125eV @ 6keV) Microcalorimètre (5eV @ 6keV) Temp  100 mK Instrument XRS de AstroE-2 Matrice 6x6 (fait main !) Mesure rayonnement ionisant Future : Constellation X, Xeus Matrice 32x32 (fait main !) R&D Technologie : Semi-conducteur fortement dopés (lecture par FET, techno silicium…) Transition supraconductrice (TES) ( Pb bruit 1/f, lecture-multiplexage Squid)

… à des matrices de 100 voir 1000 bolomètres ! Infrarouge lointain - Millimétrique – Submillimétrique Passer du détecteur unique … Bon candidat : Bolomètre supra Courant lu via un Squid Technique de Multiplexage R&D Pacs Herschel Antenne lithographiée  onde EM directement convertie en courant  deux Polarisations  Signal  param. Stokes R&D … à des matrices de 100 voir 1000 bolomètres !

On peut rêver… Alors pourquoi pas Mais finalement pas grand-chose de bien nouveau… Effet photoélectrique Ionisation Interaction avec les phonons La détection hétérodyne … pour le visible. On peut rêver… Alors pourquoi pas Une utopie ? " Si on y met des moyens et qu’on imagine une volonté politique internationale, on peut passer de l’utopie à la prospective et de la prospective à la réalité " Jacques ROUGERIE Architecte né en 1945 à Paris.

R&D Photométrie Valorisation GIS PHOTONIS/IN2P3 Développement : Certaines communautés ressentent le besoin d’un standard général en photométrie absolue : unités références procédures de calibrage Importance des échanges avec l’industrie. Tributaire de l’industrie. Prospective de tous les instants. 7 Octobre 2004 GIS PHOTONIS/IN2P3 En astrophysique et cosmologie (au delà de la limite des chandelles standard) besoin de mesures de flux très faibles avec des systématiques inférieures au pour cent. L’imagerie biomédicale par fluorescence requiert des mesures absolues de lumière meilleures que le pour cent. Lors du 1er conseil scientifique du GIS, les sujets de recherche suivants ont été discutés : Développement : de nouveaux photodétecteurs d’électronique associée de moyens de caractérisation. Il ne s’agit pas ici de transférer des connaissances déjà acquises dans d’autres disciplines, mais bien d’un travail original de métrologie à l’échelle européenne, qui nécessite plusieurs années d’investissements à l’échelle d’une équipe ou d’un laboratoire. R&D

Conclusion : Photodétecteur Système de Photodétection Détecteurs le plus souvent réalisés en dehors des instituts Contributions des Laboratoires : Maîtrise de la physique des capteurs Expertise en terme d’évaluation Expertise en terme de qualification Conception de systèmes dans leur intégralité (électronique de lecture et traitement du signal) Coopération Industriel / Laboratoire Indispensable Exemples : Photonis, Hamamatsu, Créatis, Eldim Mise au point de processus de fabrication Mise en concurrence nécessaire  éviter monopole Nous restons toujours à l’affût de nouvelles techniques développées par l’industrie grand public sophistication des technologies (maîtrise des matériaux) existence de base industrielle réduction des coûts (dans le cas de marché porteur) amélioration de la qualité Photodétecteur Système de Photodétection

19 – 24 Juin 2005