Un d´etecteur `a Pixels hybrides pour la diffraction-diffusion

XPAD
Un détecteur à Pixels hybrides
pour la diffraction-diffusion de rayons X.
1
-
D
A
P
X
J.F. Bérar, N. Boudet, B. Caillot, C. Mouget
D2AM-CRG/F, ESRF, Grenoble
Laboratoire de Cristallographie, CNRS, Grenoble
L. Blanquart, P. Breugon, J.C. Clémens,
P. Delpierre, I. Koudobine, R. Potheau, I. Valin
Centre de Physique des Particules, IN2P3 - CNRS, Marseille
jf Berar, Soleil 3 avril 2002
1
☞ De nouveau détecteurs, pourquoi ?
1
-
☞ Détecteurs bidimensionels pour rayons X.
☛ detection et rendement quantique
D
A
P
X
☛ résolution
☛ comptage / intégration
☞ Détecteurs à pixels hybrides
☞ XPAD-1 : résultats obtenus avec un premier prototype
☞ XPAD-2 : un prototype amélioré
☞ XPAD-3 : le détecteur prévu
jf Berar, Soleil 3 avril 2002
2
De nouveau détecteurs, pourquoi ?
intégrée
maximale
Satellites
diffus 1D
1
-
D
A
P
X
Scattering power
Low resolution
High resolution
~9 magnitude orders
synchrotron experiment
1
0
3D diffusion
1D diffusion
satellite
Laboratory experiment
0
diffus 3D
Bragg
intensité
1
0
1
☞ La résolution accroit la dynamique requise.
(BM2@ESRF) ➥ saturation ou atténuation.
dynamique
.
➥
☞
☞
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3
Interactions des rayons X et détection.
1
-
☞ Les photons transmis ne sont pas détectés !
☞ Plusieurs évenements / photon ( visible, UV ➟ 1 évenement / photon)
D
A
P
X
➠ Un paquet de charges : durée d’existence limitée
➠ Chaleur + photons X, UV, visible
Détection bidimensionelle.
☛ Fluorescence : écrans + Caméras, Intensificateurs, Films, ...
☛ Piègeage : Film
, ”Image Plates”
☛ Collections de charge : Détecteur à gaz, photodiodes, CCD en direct...
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4
Quelques définitions et conséquences en X.
!
obscurité
saturation
D
A
P
X
Gain
☞ Detection Quantum Efficiency ➥
Dynamique
1
☛ Absorption du capteur ➥
☛ Peu de photons X (Poisson) ➥
#
#
"
'(
$%&
En géneral, un système avec une cascade de processus de gain G
,
,
*
*
+
,
)
)
)
)
)
☛
☛ Maximiser G1 (G2) pour ne pas amplifier du bruit !!
. )
-
, Binomial
processus Poissonien,
)
☛
☛ S/B limite par la statistique, autres bruits faibles (X = haute énergie)
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5
Résolution temporelle, réponse impulsionelle
),
(
)
☛ Exponentielle (RC) ➥ reste 1% (
1
-
☛ Lorentzienne (niveaux profonds) ➥ histoire + trainages longs
Résolution en énergie
(e , ions, ...) ➙ BRUITS ➙ DQE ➘
D
A
P
X
X absorbé ➾
☛
☛ N petit ➙ Poisson ➙ précis
↔ facteur de FANO
Résolution spatiale, Modulation Transfert Function
☛ imagerie classique ☞ nb de photons minimum / détail @ bruit
➾
☛ astronomie, diffraction X ☞ tache/fond noir ☞ Point Spread Function
▲ FWHM ➞ [email protected] ➞ [email protected]
➚ résolution ➙ capteur mince ➙ absorption faible ➙ DQE ➘
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6
Comptage/Intégration...
1
-
☞ Si ideal pas de differences.
☛ Comptage le bruit n’intervient pendant l’évenement mais il reste des
faux évenements
D
A
P
X
☛ Pertes de comptage (fréquence max supportée par la chaine de mesure)
pe CCD)
↔ Saturation du tampon (
+
☛ Intégration ➾ Conversion Analogique-Digitale : dynamique/calibres
☞ Pour les phénomènes très rapides, l’intégration est privilégiée
➾ Détecteur PIXEL (CHESS) : 8 condensateurs
Eikenberry, J. Sync. Rad. 5, (1998) 252
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7
CCDs/Pixel pour rayons X
CCD direct
10%
X/optique
intégré
14-16b
jf Berar, Soleil 3 avril 2002
X
Dynamique
Sensibilité
électrique
90% temps mort
Obturateur
silicium
10%
Flux Max
Res. energie
Lecture
D
A
P
X
saturation
1
-
optique (+intens)
@
écran fluo
Pixel
couplage
silicium
Capteur, pixel X
CCD fluo
8
CMOS Pixel pour rayons X
Pixel CMOS ↔ pixels monolithiques mélangeant capteur et mesure
☛ une électronique réduite à minima :
*
☛ pixels petits
1
-
10 transistors / pixel
: le champ est celui de l’implant
D
A
P
X
☛ surface morte non négligeable
☛ lecture externe et goulot d’étranglement
Silicium amorphe
☛ très grande dimension
20cm
☛ scintillateur nécéssaire, souvent épitaxié
☛ lecture externe et goulot d’étranglement
➾ TRIXEL, BIOSPACE
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9
DELPHI : un capteur pour la physique des particules
utilisable pour les rayons X.
1
-
Delphi modules in the detector
Sensors + chips
D
A
P
X
Module
*
Silicium ↔ absorption convenable
.
jf Berar, Soleil 3 avril 2002
+
+
☛ Taille
+
☛ Epaisseur
↔ focalisation des rayons X sur BM2 en 1997.
10
Cahier des charges - 1997
CMOS
5 à 25 keV
positive ou négative
+
+
*
pixels
16 bits internes + retenue ➟ 32 bits
-
photons/s/pixel
lecture inférieure à
Temps réel
pixels
par module + réglage fin / pixel
,
Dynamique
*
Compteurs
+
+
Modularité
x
,
,
Taille d’un module
Seuil en énergie
x
D
A
P
X
Taille des pixels
jf Berar, Soleil 3 avril 2002
1
-
Energie de fonctionnement
Polarité
(AMS)
,
Technologie Silicium
11
Détecteur à pixels hybrides
DAC
e−
Si polarized diodes
16 bits
DAC
e−
16 bits
charge collection
metal bumps
16 bits
1
-
16 bits
16 bits
Electronic chips
16 bits
DAC
e−
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
16 bits
XPAD−1
16 bits
16 bits
16 bits
DAC
e−
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
DAC
e−
16 bits
DAC
16 bits
D
A
P
X
DAC
e−
16 bits
e−
16 bits
DAC
e−
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
16 bits
16 bits
DAC
e−
16 bits
16 bits
DAC
e−
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
DAC
e−
16 bits
DAC
e−
DAC
e−
16 bits
16 bits
DAC
e−
16 bits
common buffers, address ...
Circuit logique : ”X-ray Pixel chip with Adaptable Dynamics”
cellules (pixel)
liaison avec les diodes
mise en forme du signal
discrimination-compteur 16 bits
jf Berar, Soleil 3 avril 2002
partie commune
dialogues
gestion des masques
injection , alimentation
12
Du module au détecteur (schéma 1998)
1
Sensor
XPAD chips
Vertical bus
D
A
P
X
Horizontal bus
Local memory + FPGA
Compact−PCI
CPU board
jf Berar, Soleil 3 avril 2002
13
Quelques de mesures analogiques - 2000.
grande sensibilité
mais
taux de comptages
1
-
gain
montée
capacité d’entrée
bruit
puissance
seuil
D
A
P
X
Signal
sortant
de
l’amplificateur selon la
charge ou la capacité
☞ Injection de
toutes les
☞ Importante dispersion des seuils :
dans un module !
jf Berar, Soleil 3 avril 2002
14
Détecteur prototype Delphi - XPAD 1
testé en laboratoire et sur D2AM en 2000-2001.
1
+
+
+
jf Berar, Soleil 3 avril 2002
✔ Module 6000 pixels pour une surface active de 16x40
✔ Mémoire intégrée dans le FPGA (PLD Altera)
)
✔ Synchronisation 6MHz (image
✔ Module de test à liaison port parallèle PC
D
A
P
X
15
Images brutes avec source radioactive
maipos2.edf
0
20
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
40
60
maipos2cor.edf
80
100
120
0
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
20
1
20
40
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
60
60
10
80
100
100
120
1000
0
20
1
Intensity
40
10
100
120
1
-
D
A
P
X
40
80
60
80
100
100
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
120
1000
Intensity
✔ points noirs : 2 cas
☛ seuil trop élevé pour ce réglage
☛ seuil trop faible, cellule bruyante inhibée
.
✔ capteur = diode continue : les pixels situé entre deux circuits ont une
comptages doubles corrigés à droite.
surface double
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16
images avec faisceau synchrotron - Mars 2001
1
-
/mat_dsk2/lcontact/berar/XPAD/avr01/Saxs/saxs_dif.edf
/mat_dsk2/lcontact/berar/XPAD/mar01/R937/xpad250.edf
0
5
10
15
25
0
20
25
10
20
30
40
50
D
A
P
X
25
20
20
20
15
15
Rows
15
10
5
10
10
70
80
90
0
0
5
60
10
20
30
40
50
25
20
15
10
5
0
60
70
80
90
5
0
0
0
5
10
15
Columns
1
10
100
Intensity
1000
20
1
2
3
Intensity
4
5
6
*10E4
10000
faisceau direct
jf Berar, Soleil 3 avril 2002
0
image diffusion centrale
17
Comptage pixel 355 selon IDAC
30000
15000
Rx Off
12 keV
16 keV
20 keV
24 keV
20000
10000
0
D
A
P
X
22
10000
24
1
-
Résolution en énergie
18 14
10
20 16 12
5000
0
5
10
15
0
0
5
10
15
réglage du seuil en fonction de l’énergie du faiseau incident
jf Berar, Soleil 3 avril 2002
18
Résolution spatiale
1
-
(arb. unit)
40000
30000
Beam
10000
0
-1
-0.5
0
0.5
✔ bruit dans le pixel voisin
,
✔ élargissement de
.
✧ charges détectées avec un faisceau incident de
mm
D
A
P
X
20000
☞ réglage fin ➠ réponse uniforme
jf Berar, Soleil 3 avril 2002
19
Dynamique et linéarité
Mars 2001
Sept. 2001
1
-
7
10
6
6
10
195
196
197
198
199
10
5
10
4
photons/pixel/s
3
10
2
10
1
10
0
10
2
10
0
−1
10
D
A
P
X
4
10
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
10
10
-2
10
0
2
10
4
10
10
photons/pixel/s
6
10
+
)
à
comptages de
temps mort de la chaine de comptage
*
Nombre de coups détectés dans plusieurs pixels voisins (
jf Berar, Soleil 3 avril 2002
20
Utilisation : Irradiation ....
1
-
Ces dernières expériences ont donné lieu à des dégats d’irradiations
suite à une panne d’atténuateur de 1800s.
)
total ( )
capteur (krad)
effet
logique morte
seuil décalé
,
*
,
+
,
à recalibrer
,
,
285
D
A
P
X
284
,
283
flux (
pixel
☛ sécurité sur le courant diode
*
,
jf Berar, Soleil 3 avril 2002
☛ CMOS ↔ capteur : tolérance standart
☛ futur : technologie durcie et/ou moins sensible en
pour CMOS
21
1
-
Mise en oeuvre : Réglage.
☛ injection électronique dans chaque pixel :
D
A
P
X
☛ programme spécifique de calibration des seuils
☛ stratégie : maximum de pixels ou seuils moins dispersés
☛ comparaison avec une source monochromatique (Mo)
☛ chargement logique des tables en fonction de l’énergie
☛ stabilité de ces tables, les mêmes plusieurs mois après
jf Berar, Soleil 3 avril 2002
22
Diffusion centrale sur behenate d’Ag.
0
20
40
60
80
1
-
100
50
120
50
40
D
A
P
X
30
20
10
40
30
20
10
0
0
100
20
40
1000
60
80
10000
Intensity
1.E5
100
0
120
1.E6
5 ordres de grandeur, 20 keV , 400 secondes
jf Berar, Soleil 3 avril 2002
23
20
40
60
80
100
120
50
40
40
30
30
20
20
,
10
10
0
oscilation
AD
XP
50
0
20
40
3000
0
20
60
10000
40
80
30000
Intensity
60
80
0
100
120
1.E5
100
3.E5
120
50
40
40
30
30
20
20
10
10
0
0
20
1000
40
3000
-1
theta fixe, hors Bragg
50
60
10000
Intensity
80
100
30000
0
120
1.E5
Diffraction et diffusion d’un quasicristal CdYb.
jf Berar, Soleil 3 avril 2002
0
24
Les ”défauts” à corriger : XPAD-2
✵ uniformiser le réglage des seuils
1
-
modification dessin analogique
D
A
P
X
bits
+
CNA
✵ étendre leur gamme de réglage
✵ capacité de couplage détecteur-circuit trop grande
✵ améliorer la partie analogique (atteindre
✵ reprendre quelques erreurs de logique
)
”pad” plus petit
capacité d’entrée
facilité de mise en oeuvre
✵ améliorer la synchronisation des dialogues (33MHz effectif)
↔
simulé
jf Berar, Soleil 3 avril 2002
*
*
✵ bruit :
25
La nouvelle génération XPAD-2
1
-
circuits livrés en janvier 2002, test rayons X prévus en juin.
➾ réglage à
✵ dispersion des seuils
RMS
✵ bruit descend à
avec pads de contact réduits
D
A
P
X
✵ nouvelles diodes
sauf 10 pixels
.
✵ 2 géometries de détecteurs élémentaires
,
,
,
➥ assemblage mécanique
,
,
*
➥
,
➥
*
*
✔
✔
✵ projet imagerie médicale
✵ liaison ethernet directe
jf Berar, Soleil 3 avril 2002
26
Le détecteur : XPAD-3
1
-
D
A
P
X
✵ (2003 - 2004)
➥ thèse I.Koudobine (CPPM)
*
,
✵ technologie plus fine :
.
pixels (typiquement A5)
jf Berar, Soleil 3 avril 2002
✵ assemblage mécanique :
✵ nouvelles diodes avec des pixels
27