D´etecteurs `a pixels actives XPAD
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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