Diapositive%201

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Pour les sous-groupes de travail PHOTODETECTEUR
CRYODETECTEUR
et à partir des documents de synthèse rédigés par

Photodétecteurs Ph. Bourgeois, J.F. Genat
Cryodétecteurs M. Fesquiet, E. Leblanc, S.
Marnieros, C. Pigot, L. Rodriguez
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Introduction

• Photodétecteurs
• Quelques généralités
• Principaux photodétecteurs
• Résolution en énergie
• Evolutions ? Pixellisation
• PM
• HPD
• CMOS
• SiPM
• Et les autres

• Cryodétecteurs
• Quelques généralités
• Principe
• Bolomètre massif
• Evolutions ? Pixellisation
• Bolomètre
• Microcalorimètre

Détection hétérodyne ??! Photométrie,
Valorisation Conclusion
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vaste
vaste
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Avancées et objectifs

• 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

Techniques dimagerie
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Photodétecteurs
Tube a vide PMT Pos. Sens. PMT MCP
PMT Image intensifier Streak tube Semiconducteu
r Photodiode (PIN) APD CCD Silicon
strip Silicon pixel CMOS Hybrid Photodiode
(PIN) APD CCD Silicon strip Silicon
pixel EBCMOS
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2004 et
Pixellisation Détection Photo e-
7
PM caméra
Les Photomultiplicateurs ont encore de beaux
jours devant eux.
Grand Gain Bonne QE Dynamique et linéarité Taux
dimpulsions dobscurité faible Détection du
Photo électron Bonne homogénéité
PM grande surface
Grande surface de détection Grand Gain Bonne
QE Taux dimpulsions dobscurité faible Détection
du Photo électron
Hess 2 Euso Imagerie médicale
Auger Antares Nestor Amanda Megatonne Hyper-K
Hamamatsu Flat panel
Photonis XP1805/D1
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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)
RD
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20 inch Spherical HPD
Bonne E.Q. Structure Simple Coût faible Taux de
production Résiste à la pression
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CMOS Image Sensor

• Advantages (/CCD)
• Random access to pixel and windowing capability
• CMOS fabrication Process based on high diffusion
  digital process (memories, µp, )
• Low cost
• Capability of integration of peripheral
  functions (timing, control)
• Low power supply (5V 3.3V) and power
  dissipation (50-100mW)
• No charge transfer over long distance
• Radiation tolerance

RD
Parameter CMOS CCD (back illuminated)
Pixel Pitch 9.6 µm 9.6 µm
Dark Current (300K) 30 pA/cm2 10 pA/cm2
Sensitivity 20 µV/e- 8 µV/e-
Dynamic range 83.5 dB 94 dB
QE (530nm) 50 90
EBCMOS
RD
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Silicon Photomultiplier
SiPM main features Insensitive to magnetic
field Sensitive size 1x1mm2 Gain 2.106 _at_ Ubias
50V Recovery time 100 ns/pixel Number of
pixels 1024 (Dynamic) QE 20 _at_ 550nm
(geometric) Dark noise Rate 1MHz/mm2 _at_ room
temp 1kHz/mm2 _at_ 100K
RD
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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 ??

RD
RD
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Cryodétecteurs
K. Arisaka
14
Cryodétecteurs
15
Les Bolomètres Interaction avec les phonons
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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 labsorbeur
Amplificateur rapide et bas bruit
Voie chaleur Existe une partie transitoire
RD
HEMT (High Electron Mobility Transistor)
Voie ionisation Forme du signal
Peuvent fonctionner à basse température Faible
consommation
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Détecteur cryogénique pour lAstronomie X ?
Spectro-Imageur
CCD (125eV _at_ 6keV) Microcalorimètre (5eV _at_
6keV) Temp ? 100 mK
Instrument XRS de AstroE-2 Matrice 6x6 (fait
main !)
Mesure rayonnement ionisant
Future Constellation X, Xeus Matrice 32x32
(fait main !)
RD

• 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
Bon candidat Bolomètre supra Courant lu via un
Squid Technique de Multiplexage
RD
Antenne lithographiée ? onde EM
directement convertie en courant ? deux
Polarisations ? Signal ? param. Stokes
RD
à des matrices de 100 voir 1000 bolomètres !
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• Mais finalement pas grand-chose de bien nouveau
• Effet photoélectrique
• Ionisation
• Interaction avec les phonons
• La détection hétérodyne pour le visible.

On peut rêver Alors pourquoi pas
Une utopie ?
" Si on y met des moyens et quon imagine une
volonté politique internationale, on peut passer
de lutopie à la prospective et de la prospective
à la réalité "
Jacques ROUGERIE Architecte né en 1945 à Paris.
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Photométrie
Valorisation

• Certaines communautés ressentent le besoin dun
  standard général en photométrie absolue
• unités
• références
• procédures de calibrage

• Importance des échanges avec lindustrie.
• Tributaire de lindustrie.
• 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
• délectronique associée
• de moyens de caractérisation.

Il ne sagit pas ici de transférer des
connaissances déjà acquises dans dautres
disciplines, mais bien dun travail original de
métrologie à léchelle européenne, qui nécessite
plusieurs années dinvestissements à léchelle
dune équipe ou dun laboratoire.
RD
21
Conclusion

• Détecteurs le plus souvent réalisés en dehors
  des instituts
• Contributions des Laboratoires
• Maîtrise de la physique des capteurs
• Expertise en terme dévaluation
• 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
• Nous restons toujours à laffût de nouvelles
  techniques développées par lindustrie grand
  public

• sophistication des technologies (maîtrise des
  matériaux)
• existence de base industrielle
• réduction des coûts (dans le cas de marché
  porteur)
• amélioration de la qualité

Photodétecteur
Système de Photodétection
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19 24 Juin 2005