21 décembre 2012
MACSI, une caméra CdTe pour la spectro-imagerie des rayons X durs à haute résolution
MACSI, une caméra CdTe pour la spectro-imagerie des  rayons X durs à haute résolution

Caméra MACSI – Composée de huit modules Caliste-HD chacun surmonté d’un détecteur CdTe d’1 cm2 dont la face cachées est couverte d’une matrice de pixels de 525µm au pas de 625 µm. Au total MACSI dispose de 2048 pixels spectrométriques

Tout juste dix ans après la mise en orbite de la caméra ISGRI (Ibis Soft Gamma Ray Imager) à bord du satellite Integral de l’ESA - caméra constituée de 16384 pixels spectrométriques de CdTe répartis en huit modules indépendants de 32x64 pixels de 4 mm de côté - le CEA vient de finaliser une caméra spectrométrique de nouvelle génération nommée MACSI pour Modular Assembly of Caliste Spectro-imager. MACSI est une véritable version miniature d’un module ISGRI. Tout deux comportent 2048 pixels, répartis sur ~330 cm2 pour ISGRI et seulement 8 cm2 pour MACSI où les pixels sont au pas de 625µm.
Outre sa miniaturisation, MACSI est également dotée de performances exceptionnelles tant en terme de résolution spatiale qu’en terme de résolution spectrale et de seuil bas de détection. C’est une avancée majeure qui ouvre la voie à de nouveaux types de plans focaux pour l’astronomie X dur. Cette caméra est le fruit de nombreuses années de recherches en instrumentation spatiale consenties à l’Irfu et hisse l’institut parmi les leaders dans ce domaine de recherche instrumentale.

 

 
MACSI, une caméra CdTe pour la spectro-imagerie des  rayons X durs à haute résolution

Caliste-HD – C’est la brique de base de MACSI. Ce composant est le plus abouti des modules Caliste réalisés depuis 2007 (Caliste-64 et Caliste-256).

Caméra spectrométrique spatiale

 

La spectro-imageur MACSI est un assemblage modulaire de caméras miniatures aboutables sur quatre côté du nom de Caliste HD ; Caliste HD est la brique de base de MACSI. Ce composant hybride (plusieurs fonctions et technologies hétérogènes) est le plus abouti des modules Caliste réalisés depuis 2007 (Caliste-64 et Caliste-256). Il a été entièrement optimisé pour MACSI et intègre notamment un empilement de huit microcircuits spécialement conçus au CEA pour l’application, IDeF-X HD. Les circuits, préinstallés sur des mini-circuits imprimés, sont triés sur le volet et sont disposés perpendiculairement à la surface du cristal de CdTe, dans le but d’optimiser la résolution spectrale, le seuil bas de détection et l’uniformité de réponse. L’assemblage de Caliste-HD est réalisé par la société 3D plus, une société française spécialisée dans la réalisation de composants électroniques 3D pour le spatial.

 

Après une série de tests de performances exhaustifs, les modules Caliste HD sont montés sur un circuit imprimé de type « Flex-rigide » qui permet d’une part de positionner les détecteurs et d’autre part d’assurer l’interface électrique entre les modules et le système d’acquisition, situés une trentaine de centimètres plus loin. Notons que le circuit imprimé est très particulier puisqu’il intègre un drain thermique massif qui assure le bon refroidissement des détecteurs en opération en plus de jouer son rôle de support mécanique. Finalement, la fabrication de MACSI s’achève par l’interconnexion des électrodes d’entrée des CdTe à la haute tension. Une opération d’orfèvrerie réalisée au CEA.
L’ensemble est réalisé suivant les procédures exigeantes appliquées aux équipements spatiaux. MACSI a subi de nombreux essais dont les spectaculaires essais de vibration qui permettent de valider le comportement de la caméra lors d’un lancement dans l’espace.
 

 

 
MACSI, une caméra CdTe pour la spectro-imagerie des  rayons X durs à haute résolution

Spectres et images – Les facteurs de mérite d’un spectro-imageur se mesurent par exemple en terme de résolution spectrale et en terme de qualité d’image sans traitement

les performances avant le vol

 

Les performances de MACSI sont au rendez-vous. Une fois installé dans son enceinte de test dédié et couplé à son système d’acquisition dont les développements font partie intégrante du projet, l’émotion est vive lorsque 2045 pixels contribuent au signal et produisent instantanément une image alors que MACSI est éclairé par une source radioactive.

Aussitôt, les performances spectrales sont très impressionnantes avec une résolution de 680 eV fwhm à 13.94 keV et 830 eV fwhm à 59.54 keV. Cette résolution est 7 fois meilleure qu’ISGRI. Ces performances sont mesurées sur un spectre utilisant la réponse de tous les pixels. Enfin, on trouve un seuil-bas de détection situé vers 1.5 keV, permettant d’affirmer que cette caméra couvre une dynamique des X aux gamma. Cette fois c’est 10 fois plus bas qu’ISGRI. Cette grande dynamique et ces performances spectaculaires dans ce domaine de longueur d’onde font de MACSI un objet unique et très attractif pour l’astronomie spatiale.

 

En un mot, MACSI est prêt pour le vol ! C’est maintenant notre objectif.

 

Contact : Olivier LIMOUSIN

 

Publications :
« Caliste HD : A new fine pitch Cd(Zn)Te Imaging spectrometer from 2 keV up to 1 MeV », Meuris, A., Limousin, O., Gevin, O., Lugiez, F., Le Mer, I., Pinsard, F., Donati, M., Blondel, C., Michalowska, A., Delagnes, E., Vassal, M.-C., Soufflet, F., NSS/MIC/RTSD, 2011, IEEE

« IDeF-X HD : A low power multi-gain CMOS ASIC for the readout of Cd(Zn)Te detectors », Michalowska, A., Gevin, O., Lemaire, O., Lugiez, F., Baron, P., Grabas, H., Pinsard, F., Limousin, O., Delagnes, E., NSS/MIC, 2011, IEEE

« MACSI : A 8 cm2 CdTe detection plane for time resolved Hard X ray imaging with high spectroscopic capabilities », Limousin et al., IEEE TNS, en cours

 

 

Maj : 28/12/2012 (3257)

 

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