D´etecteurs `a pixels actives XPAD

Imagerie et synchrotron Soleil , 26-28 novembre 2003, Orsay, France
Détecteurs à pixels actives XPAD
P. Breugnon, J.C. Clémens, P. Delpierre,
I. Koudobine, P. Pangaud, R. Potheau
J.F. Bérar, N. Boudet,
B. Caillot, C. Mouget
D2AM-CRG/F, ESRF and
Laboratoire de Cristallographie, CNRS, Grenoble
Centre de Physique des Particules, IN2P3 - CNRS, Marseille
Les expériences de diffraction des rayons X requièrent des détecteurs capables
de mesurer simultanement des forts taux de comptage et des très faible niveaux.
Lors d’étude de matériaux, il est fréquent de mesurer des signaux se répartissant
sur plus de six ordres de grandeurs. Dans le cas de structures complexes, incommensurables par exemple, cette plage doit être encore étendue. Des exigences
similaires sont rencontrées en diffusion centrale.
Détecteurs à pixels hybrides.
Il sont composés d’une diode liée par un réseau de billes à un circuit electronique dédié dont chaque cellule (pixel) rempli toutes les fonctions d’une chaı̂ne de
comptage classique.
C’est pourquoi nous assistons actuellement à des efforts pour développer de nouveaux détecteurs 2D répondant à ces exigences.
DAC
e−
charge collection
metal bumps
Quelques caractéristiques visées.
DAC
16 bits
16 bits
DAC
e−
16 bits
Technologie (1997)
CMOS 0.8µm (AMS)
Energies des rayons X
5 to 25 keV
Dimension des pixels
0.33 x 0.33mm2
Dimension des modules
Electronic chips
16 bits
DAC
e−
16 bits
XPAD−1
16 bits
16 bits
DAC
e−
16 bits
16 bits
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
DAC
e−
16 bits
DAC
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
16 bits
e−
16 bits
DAC
e−
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
16 bits
16 bits
DAC
e−
DAC
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
16 bits
e−
e−
16 bits
DAC
e−
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
DAC
e−
16 bits
Si polarized diodes
16 bits
DAC
e−
16 bits
common buffers, address ...
Dans la diode Si les photons incidents créent des électrons qui sont collectés par
le champ de polarisation sur les billes de jonctions.
24 x 25 pixels
Compteurs
32 bits ( 16 bits internes )
Electronic chip : ”X-ray Pixel chip with Adaptable Dynamics”
Dynamique
0.1 - 107 photons/s/pixel
Temps réel
moins de 1 ms de lecture
Chaque cellule contient un amplificareur de mise en forme, une discrimination et
une chaı̂ne de comptage. La partie commune est chargee des dialogues et alimentation.
Diffusion centrale du
behenate d’argent
Prototypes XPAD1 : J. F. Berar et al. J. Applied Cryst. 35 (2002) 471-476
Linéarité
Résolution en énergie
Résolution spatiale
6
10
40000
15000
22
10000
24
20000
photons/pixel/s
photons/pixel
4
10
30000
18 14
10
20 16 12
Beam
10000
2
10
0
10
5000
Diffusion d’un quasicrystal
CdYb
size
0
-1
-0,5
0
0,5
-2
10
mm
0
Déplacement du détecteur devant
un faisceau très fin de 10µm : le
partage des charges crées par les
photons arrivant en bord de pixel peut
être corrigé par un ajustement précis
des seuils.
0
5
10
0
15
10
2
4
10
10
photons/pixel/s
6
10
Comptage sur 2 pixels adjacent en fonction
du flux incident (ESRF mode 2/3). Le compatge
reste linéaire jusqu’à 106 photons/pixel/s.
Contrairement aux CCD il n’y a pas
d’éblouissement des pixels adjacentes.
La mesure de faisceau
d’énergie comprise entre 10 et
24keV montre une résolution
proche de 1.5keV .
Détecteurs XPAD-2 (2002-2003)
XPAD-3 : 2004...
✵ Premiers circuits prévus en 2004
✵ Technologie : IBM 0.25 µm, cellule déja dessinée
✵ Dimension des pixels 100-150 µm
✵ Assemblage mécanique prévu pour 106 pixels
✵ Seuil → fenêtre en énergie
✵ Résolution en énergie améliorée
vers des images
résolues en énergie
XPAD2 : DCAN843-1-139
1000
Enregistrement du
diagramme de poudre
d’une zéolithe :
Des applications possibles en imagerie
E = 13.55keV
E = 13.55 keV + fluo Br
Images rayons X selon XPAD1 (2002)
counts
✔ Nouvelles diodes 500 µm, pad réduit.
✔ Conception analogique modifiée pour :
✧ réduire la dispersion des seuils
✧ avoir un réglage plus fin des seuils
✧ atteindre 107 photon/pixel/s
✔ Détecteurs 50 x 128 (cf XPAD1) : 1.6 x 4.0 cm2
✔ Assemblage de modules de 25 x 200 : détecteur de 6.4 x 6.4 cm2 .
✔ Pilotage via ethenet
500
00
0
8
16
24
32
Citron et circuit altera