21 décembre 2012
MACSI - Caméra à rayons X de haute résolution
Un détecteur prometteur pour le futur de l'astronomie X

Une caméra spectrométrique à rayons X de toute nouvelle génération nommée MACSI (pour Modular Assembly of Caliste Spectro-imager) vient d'être crée au CEA. Issue des travaux ayant donné naissance à la caméra ISGRI (Ibis Soft Gamma Ray Imager) actuellement à bord du satellite Integral de l’ESA, la caméra MACSI est une véritable version miniature d’un module ISGRI. Elle comporte 2048 éléments de détection (pixels), répartis sur seulement seulement 8 cm2 pour MACSI ( au lieu de ~330 cm2 pour ISGRI) avec des séparations de seulement  625 micromètres.
Outre sa miniaturisation, MACSI est également dotée de performances exceptionnelles tout à la fois en résolution spatiale, en résolution spectrale et en couverture spectrale (seuil bas de détection). Cette avancée technologique majeure ouvre la voie à de nouveaux types de détecteurs qui pourront équiper les satellites d'observation du ciel en rayons X de haute énergie.

 

Caméra spectrométrique spatiale

MACSI est un spectro-imageur consitué d'un assemblage modulaire de caméras miniatures du nom de Caliste HD, aboutables sur quatre côtés. 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.

 
MACSI - Caméra à  rayons X de 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. Crédit CEA

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. Le circuit imprimé est très particulier puisqu’il intègre un drain thermique massif qui assure le bon refroidissement des détecteurs en opération en même temps que le 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 ainsi 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.

 

Les performances avant le vol

Les performances de MACSI ont été testées de façon approfondie. La caméra a été  installée dans son enceinte de test dédiée et couplée à son système d’acquisition dont les développements font partie intégrante du projet. Elle a été ensuite illuminée par un flux de rayons X issus d'une source radioactive. La réponse des 2048 pixels qui contribuent au signal ont produit tout à la fois une image de haute résolution et une mesure de l'énergie des rayons X.

 
MACSI - Caméra à  rayons X de haute résolution

Spectres et images – Les facteurs de mérite d’un spectro-imageur se mesurent par exemple en terme de résolution spectrale (mesurée par la largeur des pics à gauche) et en terme de qualité d’image sans traitement (à droite). Crédit CEA

La précision de la mesure d'énergie ou résolution spectrale est impressionnante pour ce genre de détecteurs. L'incertitude moyenne sur l'énergie est seulement de 0.68 keV pour une énergie de 13.94 keV et de 0.830 keV pour 59.54 keV. Cette résolution est 7 fois meilleure que celle de la caméra ISGRI en orbite à bord du satellite Integral. Ces performances sont mesurées sur un spectre utilisant la réponse de tous les pixels. Enfin, avec une énergie minimale détectable (seuil-bas de détection) située vers 1.5 keV, MACSI couvre également une grande partie des rayons X de basse énergie, plus de 10 fois plus bas que la caméra ISGRI. Cette grande dynamique et ces performances spectaculaires dans ce domaine d'énergie font de MACSI un détecteur amené à de nombreuses applications pour l’astronomie spatiale.

 

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

 

 
#3262 - Màj : 09/01/2013

 

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