Généralités
Thématique et contexte du projet
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 d'Astrophysique. 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 électrodes segmentées à base de CdTe et CdZnTe d'épaisseurs comprises entre 0.5 et 6 mm.
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 (-40°C à +25°C).
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, la reproductibilité de fabrication et l'uniformité de réponse des détecteurs ;
- 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, et en particulier pour l’astrophysique des hautes énergies (Simbol-X, Eclairs, …). Les récents résultats dans nos travaux ont permis de proposer des contributions techniques crédibles pour les projets ECLAIRs et SIMBOL-X, tous deux en phase A depuis 2005 et 2006 respectivement.
Localisation
Le projet est conduit au Service d'Astrophysique (Laboratoire "Détecteurs pour le Spatial") et au Service d'électronique, des détecteurs et de l'informatique (Laboratoire "Détecteurs et Electronique Frontale")
Collaboration
Le projet est associé au programme de Recherche et Technologie du CNES. Des collaborations avec l'ISAS (Japon, Pr. Takahashi) et l'INFN (Italie, Pr. Fraboni) sont envisagées.
Moyens d'investigation
Notre stratégie est de produire en quatre ans un prototype de mini-caméra gamma de nouvelle génération, réalisée dans les règles de l’art imposées par le secteur d’applications spatiales. Notre démonstrateur est un système de spectro-imagerie complet à base de CdZnTe ou CdTe Schottky à électrodes segmentées, directement connectée à une électronique de lecture intégrée sous forme d’ASIC (circuit IDeF-X). La mini-caméra gamma est réalisée en trois étapes successives : la première vise à identifier une technologie, l’évaluer et réaliser des premiers prototypes. La seconde étape vise à réaliser une mini-caméra complète équipée de détecteurs à 64 pixels de 900 µm au pas de 1 mm. Enfin, la dernière étape nous conduira à un système de 256 pixels d’environ 500 µm répartis au pas de 580 µm. Ces prototypes doivent fonctionner avec la meilleure résolution spectrale dans une gamme de 4 keV à 300 keV. C'est actuellement la gamme d'énergie qui suscite le plus d’enthousiasme auprès des astronomes haute énergie du SAp s’agissant des futures expériences spatiales.
Maquette à plat de détecteur CdZnTe à anode segmentée de 1 cm² et 2mm d'épaisseur, équipé de 64 pixels indépendants de 900 µm, lus par des circuits intégrés analogiques ultra bas bruit IDeF-X V1.0.
La mini-caméra est considérée comme un composant hybride qui peut être assemblé de sorte à former un plan détecteur de taille et de géométrie quelconque, suivant les besoins des applications. Dans le projet SIMBOL-X par exemple, le besoin est de couvrir une surface d’environ 64 cm² avec près de 17000 voies de détection, une sorte d’ISGRI miniaturisé.
Les performances que nous pensons atteindre avec de nos détecteurs CdTe et CdZnTe à électrodes segmentées sont les suivantes :
• 0.6 à 1.2 keV FWHM à 60 keV;
• la résolution spatiale pourra être de l’ordre de 300 µm à 750 µm. Nos prototypes sont dotéq de pixels de 500 µm ou 900 µm;
• le circuit intégré sera relié aux électrodes du cristal par une technique d’hybridation, via un substrat ;
• les cristaux ont une épaisseur de 0.5 à 6 mm.
Instruments
Nous utilisons des détecteurs CdTe et CdZnTe couplés à notre propre électronique 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)
Spécificités
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, rendu possible grâce à l'interpénétration des groupes, à leurs compétences spécifiques et réunies pour l'occasion.
Trois spectres d'Am 241 obtenus avec ISGRI puis les détecteurs CdTe récents couplés à IDeF-X V1.0. Cette figure illustre les progrès spectaculaires sur la résolution spectrale obtenus dans le cadre de nos nouveaux développements.
Contribution du Dapnia
Responsabilités scientifiques et techniques
Le SAp coordonne le projet et traite l'étude et la modélisation des détecteurs. Egalement, 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.
Services SAp, Sédi
décembre 2005 : premiers essais IDeF-X V1.0 dans le cadre du projet ECLAIRs avec CdTe Schottky à -20°C
janvier 2006 : démarrage de la phase de réalisation d’un prototype de mini-caméra pixélisée à 64 pixels de 900 µm
février 2006 : essais de dose sur IDeF-X V1.0 à Cocase ; préparation essais latch-up IDeF-X V1.1
mars 2006 : fin des essais de report des détecteurs sur l’hybride
juin 2006 : soumission ASIC IDeF-X V2.X, pour ECLAIRs et caméra 256 pixels
Etat septembre 2007 : Les résultats, tant sur la modélisation, la caractérisation des détecteurs, l’étude et la mise au point des circuits ASIC que sur les activités d’hybridation sont très encourageants. Nous disposons actuellement de circuits très performants, parfaitement adaptés à des détecteurs soigneusement étudiés qui font la base de la caméra gamma que nous devons réaliser. Les premiers prototypes représentatifs de CALISTE sont en tests depuis septembre 2007.
Perspectives L’activité s’est déployée efficacement et a trouvé des applications pour l’astrophysique spatiale dans le cadre des missions ECLAIRs (gamma ray burst) et SIMBOL-X (vol en formation), toutes deux en phase A au CNES et au CEA. Les membres du groupe de R&D CdTe font partie des groupes mission.
Bilan scientifique et technique Les premières phases de ce programme se sont extrêmement bien déroulées. 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. Actuellement, nous sommes sur le point de démontrer la faisabilité de notre caméra en considérant les contraintes imposées par le secteur spatial.
Faits marquants Nous avons produit un spectre des photons émis par une source d'241Am à température ambiante en obtenant une résolution spectrale de 1 keV FWHM à 60 keV en utilisant un détecteur CdTe Schottky couplé à IDeF-X V1.0.
Contact Olivier LIMOUSIN
• Détection des rayonnements › Détecteurs pour la physique des 2 infinis
• Le Département d'Électronique des Détecteurs et d'Informatique pour la Physique (DEDIP) • Le Département d'Astrophysique (DAp) // UMR AIM
