Clefs n°58 Automne 2009
Clefs n°58 Automne 2009
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°58 de Automne 2009

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 168

  • Taille du fichier PDF : 7,3 Mo

  • Dans ce numéro : dans les secrets de l'Univers.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

Dans ce numéro...
< Pages précédentes
Pages : 128 - 129  |  Aller à la page   OK
Pages suivantes >
128 129
128 Des outils pour sonder l’Univers Grâce à sa caméra constituée d'une matrice de semi-conducteurs en tellurure de cadmium (CdTe), de 128 x 128 pixels, le télescope IBIS (pour Imager on Board the Integral Satellite), observe la voûte céleste avec une résolution angulaire d’une dizaine de minutes d’arc. La caméra ISGRI a été réalisée par le CEA avec le soutien du Cnes (photo réalisée, en 2001, à LABEN/Milan, lors de l’intégration de l’instrument). CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 électronique de lecture de type ASIC/CMOS (pour Application Specific Integrated Circuit/Complementary Metal Oxide Semiconductor) et leur assemblage en composants « hybrides ». Pour pimenter l’affaire, les différents objets doivent être compatibles avec l’environnement spatial (thermique, radiation, fiabilité...) et résistants au lancement par une fusée. Ces dernières années ont vu, à la fois, les progrès notables de l’imagerie par miniaturisation des pixels (500 µm de côté) et les performances spectrales. Cette double avancée a favorisé l’extension de la gamme spectrale vers les basses énergies ainsi qu’une meilleure précision dans la mesure de l’énergie de chaque photon. L’extension à basse énergie s’avère déterminante pour l’astronomie gamma. En effet, c’est en étudiant simultanément les photons de basse énergie (quelques keV) et les photons de haute énergie que certains astres révèlent enfin leur vraie nature : trous noirs ou pas et dans quel état…• Leur cœur bat grâce au CdTe, un matériau dont les qualités de spectromètre sont désormais reconnues pour les températures proches de la température ambiante (entre -40 °C et +20 °C). Il s’agit d’un cristal lourd (le numéro atomique moyen « Z » vaut 50) et dense ( 6) lui permettant de stopper efficacement les photons gamma jusqu’à quelques centaines de keV alors que ces derniers traversent généralement la matière sans interagir. Ainsi, lorsqu’un photon gamma interagit avec un électron du cristal, ce dernier se trouvant arraché, emporte avec lui la quasi-totalité de l’énergie cédée par le photon. Quant à l’électron, il termine sa course dans le cristal en produisant des paires « électron-trou » en nombre proportionnel à la CEA quantité d’énergie déposée par le photon incident. Un champ électrique appliqué au cristal accélère les paires en question. La mise en mouvement de ces nouveaux porteurs libres induit un courant transitoire, précieux signal qu’il va falloir « capturer » et traiter. Notons que ces porteurs ne migrent pas à la même vitesse selon qu’il s’agisse de trous ou d’électrons. L’écart est d’ailleurs si grand (un facteur 10 environ) que les porteurs les plus lents sont assujettis au phénomène de piégeage, provoquant « une perte de charge ». Ce phénomène, particulièrement accentué dans le CdTe, suppose un traitement spécifique de son signal. Enfin, la cristallogenèse du CdTe demeurant très complexe, la réalisation de ce semi-conducteur reste difficile et limite la taille des cristaux à quelques centimètres carrés de surface pour quelques millimètres d’épaisseur. Aujourd’hui, les progrès de l’industrie pour la fabrication des cristaux, la réalisation des contacts métal/semi-conducteurs et la stabilité des senseurs ont permis de bouleverser les limites en s’approchant des performances ultimes de ce matériau. En particulier, les cristaux monolithiques les plus récents, équipés d’électrodes segmentées, présentent des courants de fuite (source limitant le bruit électronique) 1000 fois plus faibles qu’il y a 10 ans. Il s’avère désormais possible d’accélérer les porteurs pour limiter le piégeage et traiter ainsi le signal plus aisément. Le traitement du signal est réalisé par les microcircuits IDeF-X (pour Imaging Detector Front-End).• La micro-électronique jouerait le rôle de système nerveux central avec des circuits adaptés aux signaux spécifiques des détecteurs CdTe et aux contraintes de leur intégration physique dans un composant hybride modulaire. Aujourd’hui, la production des circuits IDeF-X s’effectue grâce à une technologie CMOS Microcircuit IDeF-X V2 pour ECLAIRs. Les 32 structures parallèles, visibles sur l’image, sont des chaînes de spectrométrie indépendantes séparées de seulement 170 μm. Ce circuit à bas bruit et basse consommation est résistant aux radiations de l’environnement spatial. CEA
standard et abordable. Dessinés avec un soin particulier, ils supportent l’environnement radiatif selon deux modalités : soit en termes de dose cumulée dont l’effet modifie les propriétés des transistors et altère les performances des circuits, soit au plan d’événements singuliers du rayonnement cosmique dont l’effet peut aller jusqu’à la destruction des circuits. Bien que leur surface n’excède pas une vingtaine de millimètres carrés seulement, les puces électroniques IDeF-X permettent d’intégrer 16 ou 32 chaînes de détections indépendantes, selon les versions. Leur mission consiste à collecter les charges délivrées par le détecteur, à réaliser l’amplification et la mise en forme du signal, à mémoriser les données. Ces puces présentent l’avantage de ne produire qu’un niveau de bruit très faible : à peine celui d’une trentaine d’électrons RMS (Root Mean Square) lorsque la puce est isolée. Une fois le circuit connecté à un détecteur, le bruit de l’ensemble demeure inférieur à une soixantaine d’électronsrms, soit cinq fois moins qu’avec le circuit équipant la caméra ISGRI. Ces circuits, associés de façon classique à de bons cristaux de CdTe, permettent de détecter des photons de 1,5 keV à 250 keV. Leur seuil bas, à la limite inférieure de la gamme de détection, est environ deux fois et demie plus faible que sur les meilleurs circuits équivalents existant par ailleurs dans le monde. Cette performance offre un atout maître aux futures missions ECLAIRs et SIMBOL-X.• Les composants hybrides 3D et le packaging en formerait l’enveloppe charnelle. Préparer un imageur, avec ses détecteurs CdTe et ses circuits IDeF-X associés, passe par leur assemblage dans un composant hybride. Le plus dense de ces composants se nomme Caliste 256. Il est équipé d’un cristal de CdTe d’un centimètre carré, pixélisé au pas de 580 µm, chaque pixel étant connecté à une chaîne IDeF-X. Huit circuits IDeF-X fonctionnent simultanément pour extraire les 256 signaux d’un seul Caliste. Spécifiée pour l’observation d’un large champ de vue, la grande surface de l’imageur s’agence avec une mosaïque de composants Caliste, chacun aboutable sur ses quatre côtés pour ne laisser subsister aucune zone morte nombre d’événements 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 10 20 30 40 50 60 70 énergie (keV) Figure 1. Exemple d’un spectre enregistré avec Caliste 64. La figure représente la distribution en énergie des photons émis par une source d’américium 241. Ce spectre est constitué de la somme des réponses de 64 pixels indépendants étalonnée en énergie. La résolution spectrale vaut environ 900 eV fwhm à 60 keV. Le seuil de détection vaut environ 1,5 keV (A. Meuris/CEA). Modules Caliste 256. Chacun des ces deux prototypes est un spectro-imageur miniature de 1 cm de côté et environ 2 cm de haut. Un cristal de CdTe est placé au sommet d’un composant électronique (doré) dans lequel huit circuits IDeF-X sont empilés verticalement. (figure 1). Ceci implique que les huit circuits IDeF-X puissent être entièrement disposés sous la petite surface de CdTe. Pour y arriver, la solution consiste à empiler les circuits et à les présenter perpendiculairement à la surface du cristal. Cette prouesse technologique a été exécutée par la société française 3D Plus. Pour une utilisation dans l’espace, ces modules unitaires de détection présentent une garantie de fiabilité qui réduit considérablement les risques de panne dans un imageur spectrométrique. Il faut dire que ce composant a été conçu de manière à résister aux stress mécaniques, thermiques et radiatifs inhérents à la mise en orbite. Aujourd’hui, les chercheurs ne connaissent qu’un mot capable de qualifier ce détecteur de nouvelle génération : impressionnant ! Ses performances en apportent la preuve : • la résolution spectrale, inférieure à 900 eV FWHM (Full Width at Half Maximum) à 60 keV devient six fois plus précise que pour ISGRI ; • le seuil bas descend à 1,5 keV contre 15 keV pour ISGRI ; • les pixels sont 100 fois plus petits. Lorsqu’il sera placé au foyer d’un télescope de type SIMBOL-X, ce modèle de spectro-imageur CdTe pour les rayons gamma apportera, de façon certaine, une quantité extraordinaire de résultats scientifiques. > Olivier Limousin Service d’astrophysique (SAp) Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu) Direction des sciences de la matière (DSM) Unité mixte de recherche astrophysique interactions multi-échelles (CEA-Université de Paris 7-CNRS) CEA Centre de Saclay (Orme des Merisiers) > Eric Delagnes Service d'électronique des détecteurs et d'informatique (Sedi) Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu) Direction des sciences de la matière (DSM) CEA Centre de Saclay CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 129 CEA/Cnes



Autres parutions de ce magazine  voir tous les numéros


Liens vers cette page
Couverture seule :


Couverture avec texte parution au-dessus :


Couverture avec texte parution en dessous :


Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 1Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 2-3Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 4-5Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 6-7Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 8-9Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 10-11Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 12-13Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 14-15Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 16-17Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 18-19Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 20-21Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 22-23Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 24-25Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 26-27Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 28-29Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 30-31Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 32-33Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 34-35Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 36-37Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 38-39Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 40-41Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 42-43Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 44-45Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 46-47Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 48-49Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 50-51Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 52-53Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 54-55Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 56-57Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 58-59Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 60-61Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 62-63Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 64-65Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 66-67Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 68-69Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 70-71Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 72-73Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 74-75Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 76-77Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 78-79Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 80-81Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 82-83Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 84-85Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 86-87Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 88-89Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 90-91Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 92-93Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 94-95Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 96-97Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 98-99Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 100-101Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 102-103Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 104-105Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 106-107Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 108-109Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 110-111Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 112-113Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 114-115Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 116-117Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 118-119Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 120-121Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 122-123Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 124-125Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 126-127Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 128-129Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 130-131Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 132-133Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 134-135Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 136-137Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 138-139Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 140-141Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 142-143Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 144-145Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 146-147Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 148-149Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 150-151Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 152-153Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 154-155Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 156-157Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 158-159Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 160-161Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 162-163Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 164-165Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 166-167Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 168