XPAD, un détecteur à pixels hybride

XPAD, un détecteur à pixels hybride
Les spectaculaires progrès réalisés sur les sources dites de 3ème génération permettent de produire un rayonnement synchrotron d’une très grande brillance. De nouvelles expériences sont donc possibles notamment celles nécessitant des prises de
mesures résolues à la fois finement dans l’espace et dans le temps, tout en conservant une grande dynamique d’information.
Afin de disposer de détecteurs à la hauteur des performances de sa machine, SOLEIL a collaboré au développement d’une nouvelle génération de détecteurs dits à pixels hybrides, adaptés aux caractéristiques de ses lignes “X durs”.
’instrumentation actuelle, particulièrement
celle des détecteurs, ne permet pas de profiter pleinement de l’avancée technologique accomplie dans le domaine du rayonnement
synchrotron. En effet, de nombreuses expériences sont encore réalisées, par exemple, à l’aide de
scintillateurs associés à un photomultiplicateur ou
de caméras CCD couplées à un écran phosphore
auquel est accolée une optique de démagnification. Les ensembles photomultiplicateurs et CCD
possèdent les désavantages, pour l’un, de ne per-
L
mettre qu’une détection ponctuelle et, pour l’autre, d’être limité en dynamique et en rapidité.
Les détecteurs à pixels hybrides
Les détecteurs sont donc le domaine instrumental où des sauts technologiques sont fortement
nécessaires et aujourd’hui possibles. En effet, les
expériences de physique auprès des grands accélérateurs tels que le LHC au CERN ont permis de
développer pour le comptage des particules une
nouvelle génération de détecteurs dits à pixels
hybrides (figure 1). Ces derniers sont constitués
d’un capteur (diode en silicium) dont la face
arrière est pixélisée. Chaque pixel est couplé par
“bump-bonding” (liaison par une boule de métal
tendre) à une électronique de comptage réalisée
dans un circuit dédié.
Afin d’atteindre de grandes surfaces de détection,
les circuits sont mis côte à côte et couplés à un
capteur dont la dimension peut atteindre 7x1,5
cm2. Ces ensembles ou barrettes sont ensuite
assemblés en tuiles.
Rayon de SOLEIL n°15 - Juillet 2007
Figure 1 :
Principe
des détecteurs
à pixels
Fort de son expérience dans le développement de
ce type de détecteur pour la physique des hautes
énergies (Delphi, Atlas, …), le Laboratoire
CPPM/IN2P31 a mené, en collaboration avec la
ligne D2AM2 des CRG3 français au synchrotron
européen ESRF (CNRS – CEA), des travaux montrant la faisabilité de ce type de détecteur pour l’expérimentation au sein d’un synchrotron de 3ème
génération.
Trois générations de XPAD
sur la ligne D2AM/ CRG à l’ESRF ainsi que sur les
lignes DIFFABS et PROXIMA1 à SOLEIL.
Le détecteur est parfaitement linéaire jusqu’à
2.105 photons/ seconde/pixel, ce qui correspond
à 107 photons/seconde/mm2. L’image d’une
fente de 10 µm d’ouverture (figure 3) permet
d’apprécier une résolution spatiale de 1 pixel. La
figure 4 présente une image de diffraction produite par un quasi-cristal. L’intensité diffractée
ainsi que la diffusion au pied du pic sont mesurées avec une grande qualité. Des tests ont également montré le bon fonctionnement de la lecture
pendant l’acquisition, permettant de réduire à
zéro le temps entre deux images.
Les résultats obtenus sont de très bon augure
pour l’imageur 8 cm x 12 cm en cours de réalisation et qui sera disponible en fin de cette année
2007.
Figure 3 : Image d’une fente
de 10 µm d’ouverture
Les résultats obtenus, dans le cadre d’expériences de cristallographie, avec les prototypes de
6.000 pixels basés sur des circuits XPAD14 puis
de 34.000 pixels basés sur des circuits XPAD25
(figure 2 ; caractéristiques : cf tableau) sont très
prometteurs. En effet, par rapport à des systèmes
conventionnels, les données acquises sont
d’aussi bonne qualité, le rapport signal sur bruit
est fortement amélioré et les performances temporelles sont accrues.
Afin de disposer de détecteurs à la hauteur des
performances de sa machine, SOLEIL a collaboré
au développement d’un circuit de troisième génération, le XPAD3, adapté aux caractéristiques de
ses lignes “X durs” (tableau ci-dessous).
Avec le XPAD, un saut technologique nécessaire
et tant attendu pour l’instrumentation dans le
domaine du rayonnement synchrotron vient
d’être accompli.
Figure 2 : XPAD2 - Barrette montée sur son circuit
de routage (en haut), et imageur de 6,4 x 6,4 cm2
Un premier circuit XPAD3 hybridé sur un convertisseur de silicium (500 µm d'épaisseur) a été testé
Caractéristiques des détecteurs XPAD2 et XPAD3
XPAD2
XPAD3
Convertisseur
Si (500 µm)
Si (500 µm) ou CdTe
Technologie de gravure
du circuit
AMS 0,8 µm
IBM 0,25 µm
µm2
130 × 130
Taille pixel
330 x 330
Seuil
15 à 25 keV
5 à 35 keV
Nombre de pixels / circuit
24 x 25
80 × 120
Taux de comptage max
en zone linéaire
2 106 ph/s/pixel
2 105 ph/s/pixel
Temps entre deux images
2 ms
Surface totale de l’imageur
8 x 8 circuits
soit 6,4 x 6,4 cm2
Rayon de SOLEIL n°15- Juillet 2007
Figure 4 : Diffraction d’un quasi-cristal
µm2
2 ms
Lecture possible
pendant l’acquisition
8 x 8 circuits
soit 8 x 12 cm2
(en cours de réalisation)
Contacts : Kadda Medjoubi
[email protected]
Stéphanie Hustache
[email protected]
Jean-François Bérar : [email protected]
Pierre Delpierre : [email protected]
1 Centre de Physique des Particules de Marseille/Institut
National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules.
2 Diffraction Diffusion Anomale Multi-longueurs d'onde.
3 Collaborating Research Groups.
4 Berar et al., J. Appl. Cryst. 35 (2002) p471-476.
5 Berar et al., NSS-MIC/IEEE, Rome (2004) (Oct. 16-22).