NOUVEAU SPECTRO-IMAGEUR CDTE À ULTRA-HAUTE RÉSOLUTION SPATIALE, SPECTRALE ET TEMPORELLE POUR L’ASTRONOMIE X DUR ET GAMMA 3 JUILLET 2013 JOURNÉES DES DOCTORANTS.

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1 NOUVEAU SPECTRO-IMAGEUR CDTE À ULTRA-HAUTE RÉSOLUTION SPATIALE, SPECTRALE ET TEMPORELLE POUR L’ASTRONOMIE X DUR ET GAMMA 3 JUILLET 2013 JOURNÉES DES DOCTORANTS DE L’IRFU Sébastien DUBOS CEA Saclay / DSM / IRFU / SAp Laboratoire Spectro-Imageurs Spatiaux Directeur de thèse : Philippe FERRANDO Responsable CEA : Olivier LIMOUSIN Responsable CNES : Antoine PENQUER Directeur de thèse : Philippe FERRANDO Responsable CEA : Olivier LIMOUSIN Responsable CNES : Antoine PENQUER

2 PRÉAMBULE | PAGE 2 Sujet : Mise en œuvre d’un nouveau spectro-imageur à base de CdTe, aux performances accrues Utilisation : Astronomie X et gamma, physique solaire… Exemple : instrument ISGRI d’INTEGRAL, STIX sur SOLAR-ORBITER. Critères essentiels : -Capacités d’imagerie -Performances spectrales -Tenue aux radiations -Conception modulaire Technologie : Cristaux semi-conducteurs pixellisés en CdTe hybridés à une électronique de lecture intégrée à ultra hautes performances développée au CEA (IRFU-SEDI/LDEF). JDD IRFU | 3 juillet 2013

3 | PAGE 3 INTRODUCTION DÉTECTION DE RAYONS X AVEC DU CDTE

4 | PAGE 4 IWORID | June 24, 2013 INTRODUCTION ÉTAT DE L’ART AU CEA : CALISTE HD ASIC “IDeF-X HD” 32 voies analogiques Montage sur PCB Module électronique 16 connecteurs (4 x 4) au total Détecteur pixelisé en CdTe (256 pixels) 625 µm de pitch, 1 ou 2 mm d’épaisseur, électrodes Al Schottky et Pt (fenêtre d’entrée) Micro-caméra Caliste HD 8 ASICs * disposés perpendiculairement à la surface de détection Assemblage * ASIC : Application Specified Integrated Circuit Caméra « CALISTE HD » (LSIS) : - 256 pixels indépendants sur 1 cm 2. - 625 μm de pitch (INTEGRAL : 4 mm) - Plage dynamique : entre 2 keV et 1 MeV (INTEGRAL : 15 keV-300 keV), seuil bas ≈ 2 keV (INTEGRAL : 15 keV) - Résolutions en énergie : 666 eV FWHM @ 60 keV (INTEGRAL : 6 keV @ 60 keV) Objectifs instrumentaux : -Réduire la taille des pixels : 250 μm Densité de pixels × 4 !  Meilleure résolution spatiale. -Augmentation de la dynamique en énergie  Observations dans de multiples longueurs d’ondes X et γ. -Améliorer la résolution en énergie : Proche des limites intrinsèques du détecteur CdTe (~470 eV @ 60 keV)  Performances spectrales accrues.

5 | PAGE 5 PLAN MOYENS MIS EN OEUVRE I.ASIC à très bas bruit électronique Conçu pour être connecté à des pixels de 300 μm Joue sur la résolution spectrale, le seuil bas et la dynamique  Mettre en œuvre cet ASIC, évaluer ses performances : bruit, dynamique, linéarité, gain, réponse en l’absence de détecteur II.Evaluations des performances des détecteurs Seuil bas en énergie est un paramètre important Possibilité d’améliorer les performances spectrales à basse énergie ?  Limites des dispositifs actuels pour optimiser les futurs détecteurs III.Méthodes d’interconnection ASIC/détecteur Technique d’hybridation Premier prototype de système complet  Simulation des réponses et différentes géométries de détecteurs  Stabilité et réponse des détecteurs soumis à un environnement spatial JDD IRFU | 3 juillet 2013

6 | PAGE 6 ÉLECTRONIQUE FRONTALE : PRISE EN MAIN ET CARACTÉRISATION FORMATION ET TRAITEMENT DU SIGNAL S ORTIE P RÉ - AMPLIFICATEUR DE CHARGE (CSA OU PAC) S IGNAL A MPLIFIÉ ( ÉTAGE DE GAIN ) P IC DE “D IRAC ” EN COURANT P ULSE APRÈS FILTRE CR-RC N M ISE EN FORME + détecteur de pics (Amp. α Energie) + ADC pour numérisation -> Valeur discrète de l’énergie -> spectre Temps de “peaking” Bruit électronique : ENC (Electronic Noise Charge), en électrons RMS. Définition : écart type mesuré sur l’amplitude du signal de sortie reporté à l’entrée de l’ASIC. JDD IRFU | 3 juillet 2013

7 | PAGE 7 ÉLECTRONIQUE FRONTALE : PRISE EN MAIN ET CARACTÉRISATION ASIC D 2 R 1 (*) ASIC 2D de 16x16 voies : Conception permettant un niveau de bruit électronique très faible. Dédié à la lecture de détecteurs de faible courant de fuite (< 5 pA) et de faible capacité électrique (< 1 pF). Adapté à l’hybridation sur détecteurs de 256 pixels au pas de 300 microns * Thèse d’Alicja MICHALOWSKA (IRFU/SEDI/LDEF) JDD IRFU | 3 juillet 2013

8 | PAGE 8 ÉLECTRONIQUE FRONTALE : PRISE EN MAIN ET CARACTÉRISATION ASIC D 2 R 1 Nouveau système de mesure de l’énergie : échantillonnage du signal en sortie de CSA (M-CDS : Multi-Correlated Double Sampling) : -NOS : nombre d’échantillons (réglable entre 2 et 16 échantillons). -Performances comparables aux systèmes à base de filtres passe-bande. -Flexible (fréquence réglable, possibilité de désactiver l’échantillonnage et récupérer directement le signal en sortie de PAC). JDD IRFU | 3 juillet 2013

9 | PAGE 9 ÉLECTRONIQUE FRONTALE : PRISE EN MAIN ET CARACTÉRISATION MISE EN PLACE DU BANC TEST Générateur de pulses : injection de charges dans l’ASIC (simulation signal provenant d’un détecteur) ASIC D 2 R 1 (échantillonnage signal) Carte d’interface (entrées, sorties, réglages courants) FPGA (programmation / lecture ASIC et conversion numérique) JDD IRFU | 3 juillet 2013

10 | PAGE 10 ÉLECTRONIQUE FRONTALE : PRISE EN MAIN ET CARACTÉRISATION LINÉARITÉ, GAIN, BRUIT ÉLECTRONIQUE 10 fC – 1 fC (276 keV – 28 keV) Spectre injection : Pixel 113 JDD IRFU | 3 juillet 2013

11 | PAGE 11 ÉLECTRONIQUE FRONTALE : PRISE EN MAIN ET CARACTÉRISATION LINÉARITÉ, GAIN, BRUIT ÉLECTRONIQUE JDD IRFU | 3 juillet 2013 Pixel 113 : linéarité entre 10 et 1 fC Amplitudes (BIN ADC) = Gain (BIN ADC / fC) * Amplitudes injectées (fC) + Offset (BIN ADC) Gain : -751 BIN ADC / fC Offset : 14293 BIN ADC Spectre injection : Pixel 113 1 fC 26 e- RMS 10 fC 32 e- RMS

12 | PAGE 12 ÉLECTRONIQUE FRONTALE : PRISE EN MAIN ET CARACTÉRISATION OPTIMISATION DU BRUIT ELECTRONIQUE Adapter les réglages de l’ASIC en fonction des caractéristiques du détecteur Optimum de bruit électronique pour :  courant de fuite nul  T ech = 1,5 – 2 μs  N ech = 16 échantillons JDD IRFU | 3 juillet 2013

13 | PAGE 13 IWORID | June 24, 2013 ÉLECTRONIQUE FRONTALE : PRISE EN MAIN ET CARACTÉRISATION CARTOGRAPHIES DE BRUIT SUR LA MATRICE Injection de 1 et 10 fC sur tous les pixels, condition optimales : Gain moyen : -743 (BIN ADC / fC) Offset moyen : 14273 (BIN ADC) Bruit moyen : 29,51 e- RMS Bruit moyen : 34,10 e- RMS

14 | PAGE 14 ÉLECTRONIQUE FRONTALE : PRISE EN MAIN ET CARACTÉRISATION SPECTRE « ÉLECTRONIQUE » Niveau de bruit électronique : entre 25 et 23 e- rms sur tous les pics (1 ligne)  Mesures très encourageantes pour la suite ! Injections successives de charges dans l’ASIC correspondant aux charges produites dans un détecteur CdTe par une source d’américium 241 FWHM = 330 eV @ 60 keV JDD IRFU | 3 juillet 2013

15 Objectif scientifique: Etude de la dynamique de MC2 – seuil bas : paramètre crucial  Connaître les limites et les problématiques posées dans ces conditions d’énergie Déterminer l’effet d’éventuelles zones mortes ou opaques dans le détecteur qui réduiraient l’efficacité de détection à basse énergie  La modéliser Problématique des partages de charges et influence sur les performances spectroscopiques Optimisation du détecteur MC2 Moyens expérimentaux mis en oeuvre: Utiliser Caliste HD pour étudier les conditions limites en énergie au plus proche du seuil bas Déterminer l’efficacité de détection à basse énergie Observer les effets de partage de charges dans les zones inter-pixels | PAGE 15 ÉTUDE DES PERFORMANCES AUX LIMITES DU DÉTECTEUR CALISTE HD CARACTÉRISATION À BASSE ÉNERGIE JDD IRFU | 3 juillet 2013

16 Efficacité (2 – 12 keV) | PAGE 16 Energie minimale obtenue : 2,13 keV Résolution ≈ 530 eV FWHM Efficacité de détection : 40 % Seuil bas : 1,3 keV Réponse à 2 keV SOLEX – CEA Saclay Modèle : -Couche de 34 nm de Platine -Zone morte de 440 nm (TeO 2 ) -Probabilité de 77,5% d’évènements simples ÉTUDE DES PERFORMANCES AUX LIMITES DU DÉTECTEUR CALISTE HD RÉPONSES À BASSE ÉNERGIE (2 – 12 KEV) Energie faisceau ( 4 He) : 3200 keV Analyse par RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry), CSNSM Orsay Meilleur ajustement avec : -1 ère couche de 30 nm de Platine -2 ième couche de 400 nm de CdTeO (oxyde) : 1% Cd, 30% Te et 68% O -Au delà : CdTe stoechiométrique Pic du Pt Effet de l’oxyde de CdTe Effet de l’oxygène Effet du CdTe stoechiométrique JDD IRFU | 3 juillet 2013

17 ÉTUDE DES PERFORMANCES AUX LIMITES DU DÉTECTEUR CALISTE HD EFFET DES PARTAGES DE CHARGES | PAGE 17 IWORID | June 24, 2013 Zone inter-pixel : 29 % de la surface  Va induire des partages de charges Modèle géométrique (Iniewski et al.):  Prédit 22,6 % de partage de charges dans ces conditions Energie du faisceau : 12 keV  Spectre reconstruit  10% de pertes sur l’énergie reconstruite et dégradation FWHM Partage de charges entre 2 pixels

18 Possible à priori de diminuer encore l’énergie minimale Pour les développements futurs de détecteurs au pas de 300 microns, nécessité de minimiser la probabilité de partage de charges autant que possible  Réduire la zone inter-pixels si possible  Optimiser la collection de charges Bon comportement des électroniques actuelles (gain, niveau de bruit dans ces conditions)  Augmentation des performances attendue. | PAGE 18 ÉTUDE DES PERFORMANCES AUX LIMITES DU DÉTECTEUR CALISTE HD BILAN - OUVERTURES JDD IRFU | 3 juillet 2013

19 Détecteur reporté directement sur l’ASIC (2D) : « flip-chip » Premier prototype monté attendu en octobre / novembre : 1 ers tests expérimentaux En attendant : simulation détecteur 16*16 (géométrie, réponse spectrale) | PAGE 19 HYBRIDATION ASIC / DETECTEUR EXEMPLE DE REPORT « FLIP-CHIP » JDD IRFU | 3 juillet 2013 Détecteur à 16 pixels : 4*4 Epaisseur : 0,75 mm et 2 mm 300 μm de pitch Pixels de 250 μm de côté Interpixel : 50 μm Large anneau de garde

20 CONCLUSION / PERSPECTIVES | PAGE 20 Design et simulation d’un détecteur pixélisé au pas de 300 microns Etude et caractérisation de l’électronique frontale : ASICs Caterpylar AMS et D2R1 Etude des problématiques et limites des détecteurs existants (Caliste HD) Techniques d’hybridation de détecteurs CdTe pixélisés sur les ASICs Prototype de détecteur MC2 JDD IRFU | 3 juillet 2013

21 PUBLICATIONS / CONFÉRENCES | PAGE 21 JDD IRFU | 3 juillet 2013 « Proton irradiation tests on CdTe Schottky detectors for Caliste-SO » - STIX Phase B Rapport de tests à destination de l’ESA dans le cadre de la mission Solar-Orbiter (février 2012). « Low Energy characterization of Caliste HD, a CdTe based Imaging spectrometer » Poster présenté à l’école d’été « International School on Astroparticle Physics / Multi-messenger approach in high energy astrophysics » (juillet 2012). Poster présenté à la conférence internationale IEEE NSS/MIC/RTSD (Anaheim, USA, oct./nov.2012) + article associé publié dans le proceedings de la conférence. Article soumis à la revue IEEE Transactions on Nuclear Science (accepté avec modif. mineures) « Spectral performances of MACSI, a new large CdTe plane for X and gamma-rays astronomy » Talk à la conférence internationale iWORiD (Paris, juin 2013) En tant que co-auteur : « Low power, low noise, Charge Sensitive Amplifier in CMOS 0.18 µm technology for the readout of fine pitch pixelated CdTe detector » Poster présenté à la conférence internationale IEEE NSS/MIC/RTSD (Anaheim, USA, oct./nov.2012) + article associé publié dans le proceedings de la conférence.

22 DSM Irfu Service d’Astrophysique Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives Centre de Saclay | 91191 Gif-sur-Yvette Cedex T. +33 (0)1 69 08 62 94 | F. +33 (0)1 69 08 65 77 Etablissement public à caractère industriel et commercial | RCS Paris B 775 685 019 CEA | OCTOBER 31, 2012 | PAGE 22 MERCI DE VOTRE ATTENTION ! Plus d’infos. : sebastien.dubos@cea.fr 01 69 08 64 89 C.E.A. Saclay DSM/IRFU - SAp Bât 709, L’Orme des Merisiers 91191, Gif Sur Yvette, France Plus d’infos. : sebastien.dubos@cea.fr 01 69 08 64 89 C.E.A. Saclay DSM/IRFU - SAp Bât 709, L’Orme des Merisiers 91191, Gif Sur Yvette, France