R&D détecteur CdTe

L’activité R&D CdTe est un projet de recherche hérité de l’activité sur les détecteurs CdTe d’Integral/Isgri. Ce programme a été présenté au CSTS du SAp le 21 novembre 2002 où il a été classé dans les priorités du service. L’activité a démarré formellement lors d’une réunion entre le SAp et le Sédi le 6 février 2003. Nous étudions et mettons en œuvre des matrices de détecteurs à anode segmentée à base de CdTe et CdZnTe de grande épaisseur.
Le CdTe et le CdZnTe sont des matériaux reconnus pour être potentiellement d’excellents spectromètres gamma à des températures de fonctionnement proches de l’ambiante.
Jusqu’à présent, les performances de ces détecteurs ont été limitées par deux facteurs principaux :
• la qualité cristallographique des détecteurs qui limite principalement la taille des cristaux et la reproductibilité de fabrication ;
• les propriétés de transport des porteurs de charges et les phénomènes de pertes de charge physique et surtout balistique qui en découlent.
Notre objectif scientifique est de progresser sur ces deux tableaux simultanément et c’est pourquoi notre sujet est axé sur l’amélioration conjointe des performances spectrales, de la résolution spatiale et l’efficacité de détection à haute énergie (région du MeV). Sans aucun doute, un succès dans ces domaines constituerait une avancée significative, en particulier pour l’astronomie des hautes énergies, unissant les communautés scientifiques X et gamma.
Finalement, nos motivations se tournent vers des activités d’application spatiales civile ou militaires aussi vastes que l’astrophysique des hautes énergies (Simbol-X, Max, Eclairs, …).

Le projet est conduit au Service d'astrophysique et au Service d'électronique, des détecteurs et de l'informatique

Pour le moment, il n'existe pas de collaboration formelle. En projet, des collaborations avec l'ISAS (Japon, Pr. Takahashi) et l'INFN (Italie, Pr. Fraboni) sont envisagées.

Notre stratégie est de produire en trois à quatre ans un prototype de mini-caméra gamma de nouvelle génération. Notre démonstrateur sera un système de spectro-imagerie complet à base de CdZnTe ou CdTe Schottky à anode segmentée, directement connectée à une électronique de lecture intégrée sous forme d’asic (circuit IDeF-X). La mini-caméra gamma aura 256 pixels répartis sur une surface au maximum de 10x10 mm²,c.-à-d. des pixels d’environ 500 µm répartis régulièrement avec un pas de 580 µm, le tout entouré d’un anneau de garde.
Ce prototype doit fonctionner avec la meilleure résolution spectrale dans une gamme de 4 keV à 200 keV dans sa version « basse énergie » et dans une gamme de 10 keV à 2 MeV, dans sa version « haute énergie ». La mini-caméra doit pouvoir être aboutée sur quatre cotés de façon à ce que plusieurs caméras côte à côte puissent former un plan détecteur de taille et de géométrie quelconque, suivant les besoins des applications. Ceci implique que le système que nous réalisons, soit considéré comme un composant hybride, dont les interfaces électriques sont situées en dessous. Les performances que nous pensons atteindre avec de nos détecteurs CdTe et CdZnTe à anode segmentée sont les suivantes :
• 0.5 keV FWHM à 60 keV et probablement 6 keV FWHM à 662 keV ;
• la résolution spatiale pourra être de l’ordre de 300 µm à 750 µm. Notre prototype sera doté de pixels de 500 µm avec un pas de 550 à 580 µm ;
• le circuit intégré sera relié aux électrodes du cristal par une technique d’hybridation, via un substrat. Ceci permettra de positionner l’asic et ses interfaces électriques entièrement sous le cristal ;
• les cristaux auront une épaisseur de 1 à 10 mm.

Nous utilisons des détecteurs CdTe et CdZnTe couplés soit à une électronique de laboratoire « standard », soit à notre propre électronque de lecture, développée dans le cadre du programme de recherche. Nous disposons également de moyens de modélisation des détecteurs en 3D et des interactions rayonnements-matière (modèle éléments finis et Monte-Carlo)

La spécificité du programme réside dans l'ambition d'utiliser le fruit de nos travaux à bord d'expériences spatiales de future génération pour l'astronomie des hautes énergies. C'est un projet équitablement réparti entre le SAp et le Sédi qui est uniquement possible grâce à l'interpénétration des groupes et leurs compétences specifiques et réunies pour l'occasion.

Le SAp coordonne le projet et traite l'étude et la modélisation des détecteurs. 2galement, c'est au SAp que sont conduits les tests physiques. Le SEDI/LDEF développe et teste l'électronique asic associée au détecteur (IDeF-X). Les deux groupes, étroitement reliés, mènent ensemble la question du couplage détecteur-électronique front-end.

En 2003, deux physiciens, deux designers et 1,5 techniciens ont collaboré au projet, pour un total effectif de 4 h.an. Un doctorant en contrat CTCI CEA-Cnes est également associé au programme.

novembre 2003 : premiers tests du circuit ASIC IDeF-X V0 ;
janvier 2004 : premieres mesures avec un détecteur CdTe sur le chip ;
juillet 2004 : nouvelle version de l'asic IDeF-X V1 ;
août à décembre : caractérisation de détecteurs CZT pixélisés avec une électronique standard ;
printemps 2005 : premier prototype de matrice pixélisée ;
fin 2006 : prototype de mini-caméra 256 pixels.

En décembre 2003, nous terminions notre première année de travaux avec des tests prometteurs sur l'asic IDeF X. Le montage (vide thermique)a été assemblé et les premiers tests sur les détecteurs pixélisés sont engagés.

Les résultats prometteurs nous permettent d'envisager une participation active aux futurs projets d'astronomie X et gamma Eclairs (micro-satellite pour l'observation des gamma ray bursts) et Simbol-X (télescope en X durs basé sur le vol en formation de deux satellites). Dans le cas d'Eclqirs, nous pouvons décliner une variante de notre circuit pour lire le futur plan détecteur CdTe (environ 5000 voies). Quant à Simbol-X, le prototype de mini-caméra gamma à haute densité de pixels servira base pour la définition du plan focal pour la partie à haute énergie de la mission.

La toute première phase de ce programme s'est extrèmement bien déroulée. Nous avons montré notre capacité à concevoir une chaîne de détection étape par étape, très spécifique au détecteur CdTe et à son utilisation dans l'espace tout en gardant le maximum de souplesse et de versatilité. Les prémiers résultats ont déjà orienté la conception des nouvelles propositions d'instrumentation spatiale pour l'astrophysique des hautes énergies comme Eclairs et Simbol-X. Etant donné la souplesse de notre programme, nous sommes aussi capable d'envisager d'autres applications civiles ou militaires.

Nous avons produit un spectre des photons émis par une source d'²⁴¹Am à température ambiante en obtenant une résolution spectrale de 1.5 keV FWHM à 60 keV en utilisant un détecteur CdTe Schottky couplé à IDeF-X V0.