Depuis une quinzaine d’années, les équipes[1] de l’institut de recherche sur les lois fondamentales du CEA et de 3D PLUS, société implantée dans la région parisienne, ont appris à travailler étroitement ensemble au meilleur niveau international pour repousser les limites des performances des spectro-imageurs de haute énergie (2 - 1000 keV) pour des applications spatiales. Il s’agit de détecteurs de rayons X durs et gamma finement pixélisés à base de semi-conducteurs (tellurure de cadmium CdTe) lus par des microcircuits bas bruit conçus spécifiquement à l’Irfu et assemblés dans des composants hybrides miniatures, pesant seulement 4 grammes, réalisés avec la technologie d’intégration 3D de la société 3D PLUS.
Pour promouvoir le développement et les applications de cette technologie, issue de la rencontre entre la recherche et l’industrie et continuer à enrichir ce savoir-faire unique, le CEA-Irfu et 3D PLUS viennent de créer un laboratoire commun, ALB3DO (Advanced Laboratory for 3D Detection Device Developments).
Les objectifs scientifiques du laboratoire commun sont doubles : réaliser à court terme un démonstrateur de gamma caméra portable de très haute performance, avec un premier prototype disponible dès 2022, et conduire des recherches pour le développement de nouveaux détecteurs X et gamma à très haute densité de pixels. Situé sur le centre CEA Paris Saclay ainsi qu’à 3D PLUS à BUC, ALB3DO commencera à accueillir dès fin 2020 les physiciens, ingénieurs, techniciens, doctorants et stagiaires impliqués dans ce projet, dont cinq nouveaux salariés. D’ici 5 ans cette activité devrait impliquer une trentaine de salariés.
Modules Caliste de l’instrument STIX de la mission Solar Orbiter
Pour l’astronomie des hautes énergies, les détecteurs Caliste furent une révolution : grâce à leur pixellisation, ces instruments, véritables appareils photo numériques à rayons X durs et gamma embarqués sur des satellites, apportent une qualité d’image, une précision de datation des évènements, une sensibilité et une précision de mesure de l’énergie de chaque photon encore jamais atteintes auparavant.
De ce travail collaboratif entre recherche et industrie sont nés plusieurs générations de modules de détection X et gamma. La dernière en date qui a été qualifiée pour le spatial, équipe le plan focal de l’instrument STIX à bord de la mission spatiale Solar Orbiter de l’ESA (Agence Spatiale Européenne). Lancé depuis Cap Canaveral en février 2020, Solar Orbiter est dédié à l’étude du soleil.
Les caractéristiques inédites des modules Caliste permettent d’imaginer de nombreuses applications hors du domaine de l’astrophysique. 3D PLUS et le CEA ont donc étudié les évolutions à apporter à cette technologie pour une utilisation à plus grand volume dans des domaines industriels comme celui du contrôle nucléaire.
Au sein du laboratoire commun ALB3DO, 3D PLUS et le CEA s’associent comme partenaires pour promouvoir le développement de la technologie:
- dans le secteur du contrôle des rayonnements dans le domaine nucléaire avec la perspective de réaliser un démonstrateur de gamma caméra portable de haute performance permettant de localiser et d’identifier des sources radioactives, en mesurant leurs niveaux d’énergie. Ces données pourront être visualisées en temps réel sur un écran. Cet équipement pourra ainsi répondre aux besoins dans diverses applications nucléaires comme la surveillance de fuites radioactives, la gestion des déchets radioactifs ou encore le démantèlement. C’est une avancée technologique importante pour la sécurité des personnes, permettant d’améliorer les pratiques des services de radioprotection, et la protection des intervenants exposés aux rayonnements ionisants dans les centrales nucléaires.
- dans le secteur de l’astronomie spatiale en continuant à développer de nouveaux spectroimageurs de haute performance s’appuyant sur les nouvelles technologies d’intégration les plus innovantes de 3D PLUS.
[1]Issues de laboratoires des départements d’Astrophysique et du département d’Électronique, des Détecteurs et d’Informatique pour la Physique
Contact Irfu: Olivier Limousin
Caliste de « grade industriel » pour le prototype de gamma caméra Spid-X. A gauche, le module est équipé d’un crystal de CdTe de 14x14mm2 X 2mm d’épaisseur. A droite, on voir le motif de pixels, 16x16 au pas de 800µm.
• Le Département d'Électronique des Détecteurs et d'Informatique pour la Physique (DEDIP) • Le Département d'Astrophysique (DAp) // UMR AIM
