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Pour les sous-groupes de travail
PHOTODETECTEUR & CRYODETECTEUR
et à partir des documents de synthèse
rédigés par :
Photodétecteurs
Cryodétecteurs
Ph. Bourgeois, J.F. Genat
M. Fesquiet, E. Leblanc,
S. Marnieros, C. Pigot,
L. Rodriguez
Jean-Charles VANEL
Prospective IN2P3/DAPNIA : 11-16 octobre 2004
Introduction
Photodétecteurs
Cryodétecteurs
• Quelques généralités
• Quelques généralités
– Principaux photodétecteurs
– Résolution en énergie
• Evolutions  Pixellisation
– PM
– HPD
– Principe
• Bolomètre massif
• Evolutions  Pixellisation
– Bolomètre
– Microcalorimètre
• CMOS
• SiPM
• Et les autres
Détection hétérodyne ??!
Photométrie, Valorisation
Conclusion
Prospective IN2P3/DAPNIA : 11-16 octobre 2004
Domaines d’utilisation
Détection de particule directe ou indirecte (calorimétrie et trajectographie)
Identification de particule
Imagerie astrophysique et médicale
Spectrométrie
Domaines spectraux
Hertzien  Antennes
Infrarouge lointain  Bolomètres
Infrarouge proche  Semi-conducteurs, composés lourds
Visible, UV  Dispositif à photocathodes, semi-conducteurs
X, Gammas  Bolomètres, composés lourds
Prospective IN2P3/DAPNIA : 11-16 octobre 2004
•
•
•
•
•
•
•
Dynamique du signal
Sensibilité spectrale
Résolution spatiale
Résolution en énergie (rapport signal/bruit)
Tenue aux radiations
Surface sensible et pixellisation
Réduction de la puissance consommée
•
•
•
•
Capacité de traitement des hauts flux de données (pixel)
Intégration des systèmes au sein des détecteurs
Augmentation de la fiabilité
Diminution du coût
•
Nouvelles méthodes de détection …
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Tube a vide :
PMT
Pos. Sens. PMT
MCP PMT
Image intensifier
Streak tube
Semiconducteur :
Photodiode (PIN)
APD
CCD
Silicon strip
Silicon pixel
CMOS
Hybrid :
Photodiode (PIN)
APD
CCD
Silicon strip
Silicon pixel
EBCMOS
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1996
1999
PMT
PIN
2004 et …
2002
P
I
X
E
L
L
I
S
A
T
I
O
N
HPD
APD
MCP
CdTe
CCD
CMOS
GasDet
Pixellisation
&
Détection
Photo e-
R&D Au Point Amélioration
D’après J. Peigneux
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PM caméra
Grand Gain
Bonne QE
Dynamique et linéarité
Taux d’impulsions d’obscurité faible
Détection du Photo électron
Bonne homogénéité
Les Photomultiplicateurs
ont encore de beaux jours
devant eux.
PM grande surface
Grande surface de détection
Grand Gain
Bonne QE
Taux d’impulsions d’obscurité faible
Détection du Photo électron
Auger
Antares
Nestor
Amanda
Megatonne
Hyper-K
Photonis XP1805/D1
Hess 2
Euso
Imagerie médicale
Hamamatsu Flat panel
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HPD (Hybrid PhotoDetector)
Intérêt : Bruit additif alors
que pour les PM bruit multiplicatif
(pas de facteur « Fano »)
La faiblesse des PM & HPD : photocathode  faible QE !
Affinité électronique
négative  Semi-conducteur
Multiple réflexion (filtre
interférentiel).
Création de paires par ionisation
(3,6 eV / paire électron-trou pour le Si)
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20 inch Spherical HPD
glass
diode-2
light
photocathode
photoelectrons
Lead and
support
Bonne E.Q.
Structure Simple
Coût faible
Taux de production
Résiste à la pression
diode-1
reflector
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CMOS Image Sensor
Ionisation
Détecteur de vertex
Advantages : (/CCD)
o Random access to pixel and windowing
capability
o CMOS fabrication Process based on high
diffusion digital process (memories, µp, …)
 Low cost
 Capability of integration of
peripheral functions (timing, control)
o Low power supply (5V – 3.3V) and power
dissipation (50-100mW)
o No charge transfer over long distance
 Radiation tolerance
Parameter
CMOS
CCD (back
illuminated)
Pixel Pitch
9.6 µm
9.6 µm
30 pA/cm2
10 pA/cm2
Sensitivity
20 µV/e-
8 µV/e-
Dynamic
range
83.5 dB
94 dB
50 %
90 %
Dark Current
(300K)
QE (530nm)
• Très faible bruit par pixel;
• Résolution spatiale élevée (<10
µm);
• Grande vitesse de lecture (>10
MHz).
EBCMOS
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Silicon Photomultiplier
42m
20m
pixels
h
Resistor
Rn=400 k
SiPM main features
Insensitive to magnetic field
Sensitive size 1x1mm2
Gain ~2.106 @ Ubias ~50V
Recovery time ~ 100 ns/pixel
Number of pixels: 1024 (Dynamic)
QE ~20% @ 550nm (geometric)
Dark noise Rate : ~1MHz/mm2 @ room temp
~1kHz/mm2 @ 100°K
Al
Depletion
Region
2m
R 50
substrate
Ubias 50V
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CCD et CCD amplifié
APD
Photodiode (PIN)
Photodétecteur gazeux :
Micromegas avec photocathode sur mesh
GEM …
Silicium Amorphe déposé sur électronique
On chip detector
Grand surface possible … CMOS
Visible se fait déjà
Antenne décamétrique
Photodétecteur organique ??
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K. Arisaka
Prospective IN2P3/DAPNIA : 11-16 octobre 2004
Domaine d’application
• Matière noire
(Edelweiss I et II)
• Rayonnement submillimétrique
(Archeops, Planck, Hershel)
• Détection de rayon X
Détecteurs
Bolomètre massif
Matrice de bolomètre
MicroCalorimètre
(AstroE-2, Constellation-X, Xeus)
Développement récent de cryostat (< 300mK) pouvant être embarqué
Développement d’une électronique bas bruit dissipant peu de chaleur
Encore plus vraie avec la pixellisation  Multiplexage
Beaucoup de R&D AsGA, Squid …
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Les Bolomètres … Interaction avec les phonons
Un bolomètre est généralement un cristal couplé à un
thermomètre capable de détecter de très faible
température :
E
dT Popt Pelec  G (T  T0 )



C
dt
C
C
La chaleur spécifique diminuant avec la température,
le bolomètre sera d’autant plus sensible à basse
température.
T  T  T0 
Le thermomètre est souvent une résistance :
dV
dR
 I bias
dT
dT
Dans le cas d' une thermista nce au germanium
 

R(T )  R0 exp 

T


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L'absorbeur du bolomètre est un cristal de
germanium de 320 g. Lorsqu'un WIMP
interagit dans le bolomètre, il fait reculer un
noyau du cristal qui produit simultanément :
des paires électron-trou
 une impulsion d'ionisation
une élévation de température du cristal
 une impulsion dite de chaleur
Localisation des Evts dans l’absorbeur
Voie chaleur
Existe une partie transitoire
Voie ionisation
Forme du signal
Amplificateur rapide et bas bruit
HEMT
(High Electron Mobility Transistor)
Peuvent fonctionner à basse température
Faible consommation
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Détecteur cryogénique pour l’Astronomie X  Spectro-Imageur
CCD (125eV @ 6keV)
Microcalorimètre (5eV @ 6keV)
Temp  100 mK
Instrument XRS de AstroE-2
Matrice 6x6 (fait main !)
Future : Constellation X, Xeus
Matrice 32x32 (fait main !)
Technologie :
• Semi-conducteur fortement dopés
•
(lecture par FET, techno silicium…)
Transition supraconductrice (TES)
( Pb bruit 1/f, lecture-multiplexage Squid)
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Infrarouge lointain - Millimétrique – Submillimétrique
Passer du détecteur unique …
Antenne lithographiée
 onde EM directement
convertie en courant
 deux Polarisations 
Signal  param. Stokes
Bon candidat : Bolomètre supra
Courant lu via un Squid
Technique de Multiplexage
Pacs Herschel
… à des matrices de 100 voir 1000 bolomètres !
Prospective IN2P3/DAPNIA : 11-16 octobre 2004
Mais finalement pas grand-chose de bien nouveau…
Effet photoélectrique
Ionisation
Interaction avec les phonons
La détection hétérodyne … pour le visible.
Une utopie ?
" Si on y met des moyens et
qu’on imagine une volonté
politique internationale, on
peut passer de l’utopie à la
prospective et de la
prospective à la réalité "
Jacques ROUGERIE
Architecte né en 1945 à Paris.
Prospective IN2P3/DAPNIA : 11-16 octobre 2004
Certaines communautés ressentent le besoin d’un
standard général en photométrie absolue :
unités
références
procédures de calibrage
En astrophysique et cosmologie (au delà de la limite
des chandelles standard) besoin de mesures de flux
très faibles avec des systématiques inférieures au
pour cent.
L’imagerie biomédicale par fluorescence requiert
des mesures absolues de lumière meilleures que le
pour cent.
Il ne s’agit pas ici de transférer des connaissances
déjà acquises dans d’autres disciplines, mais bien
d’un travail original de métrologie à l’échelle
européenne, qui nécessite plusieurs années
d’investissements à l’échelle d’une équipe ou d’un
laboratoire.
• Importance des échanges avec l’industrie.
• Tributaire de l’industrie.
• Prospective de tous les instants.
7 Octobre 2004
GIS PHOTONIS/IN2P3
Lors du 1er conseil scientifique du GIS, les
sujets de recherche suivants ont été
discutés :
Développement :
de nouveaux photodétecteurs
d’électronique associée
de moyens de caractérisation.
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Détecteurs le plus souvent réalisés en dehors des instituts
Contributions des Laboratoires :
Maîtrise de la physique des capteurs
Expertise en terme d’évaluation
Expertise en terme de qualification
Conception de systèmes dans leur intégralité (électronique de
lecture et traitement du signal)
Coopération Industriel / Laboratoire
Indispensable
Exemples : Photonis, Hamamatsu, Créatis, Eldim
Mise au point de processus de fabrication
Mise en concurrence nécessaire  éviter monopole
sophistication des technologies
(maîtrise des matériaux)
existence de base industrielle
réduction des coûts (dans le cas
de marché porteur)
amélioration de la qualité
Nous restons toujours à l’affût de nouvelles techniques développées par
l’industrie grand public
Photodétecteur
Système de Photodétection
Prospective IN2P3/DAPNIA : 11-16 octobre 2004
19 – 24
Juin 2005