Chaîne d’acquisition numérique d’une diode en Silicium

M.Boutelier(1), G.Orttner(1), D.Rambaud(1), D.Barret(1), L.Ravera(1), R.Baby(2), J-M.Biffi(2), P.Bodin(2), T.Maciaszek(2), A.Penquer(2)

Résumé :

Comparaison chaîne d’acquisition analogique et numérique dans le contexte spatial:

Principe de fonctionnement du shaper numérique : détection d’un photon et mesure de son énergie

Caractérisation de l’acquisition numérique avec une source radioactive :

Références : Copies du poster en libre service, servez vous !

Principe de la mesure de l’énergie :

Fonctionnement du shaper numérique :

Schéma du banc de test : Front End Electronic

ADC40 MHz

Pre-Amp

FPGA

Filtre lent

Filtre rapide

Source Fe55

SDD

Influence des paramètres L et G sur la résolution à 6 keV :

Intensité reçue par la diode : 1 kcts/s

Conditions des tests : ‣pour chaque couple (L,G), acquisition d’un spectre de 30s

‣exploration de l’espace des paramètres avec un pas de 2‣diode refroidie à -40°C par effet Peltier

Résolution à 6 keV :

Chaîne de lecture analogique

Pre-amplificateur Amplificateur Détecteur d'événements

Sample and Hold ADC 0101001

DLUT

FPGA

DLUT

DLUT

Détecteur

Silicon Drift Detector

Détecteur

Silicon Drift Detector

Chaîne de lecture numérique

Pre-amplificateur 0101001ADC 0101001DLUT

FPGA

DLUT

DLUT

Filtre lent : Mesure de l’énergie

Filtre rapide : Mesure du temps d’arrivé

Avantages : Inconvénients Avantages : Inconvénients

Requiert uniquement un pré-amplificateur, un ADC et un FPGA

Architecture électronique simplifiée :

Peu d’éléments sensibles à la température

Temps d’intégration de ~250 ns (mesure nominale) et ~75 ns (mesure dégradée) :

Pile-up réduit : 0.1 % à 32 kcts/s

Budget de consommation important :

Echantillonnage continu du signal

Nécessite de la mémoire spatialisée (traitements numériques dans le FPGA) :

Nécessite un traitement spécifique de la mémoire du FPGA pour l’immuniser contre les SEU (triplication et scrubbing)

Technology Readiness Level de 5-6 :

N’a encore jamais volé sur une mission d’astronomie

Technologie Readiness Level de 9 :

A fonctionné avec succès sur de nombreuses missions

Budget de consommation moins important :

Echantillonnage uniquement en cas de détection d’un photon

Requiert un nombre réduit d’ADC (multiplexage des voies possibles)

Ne nécessite pas de mémoire spatialisée (pas de traitement numérique dans le FPGA)

Architecture électronique complexe :

Taux de comptage maximal :1Mcts/s

Nécessite plusieurs étages d’amplificateursBeaucoup d’éléments sensibles à la température

Temps d’intégration de ~600 ns, limité par les capacités de l’étage amplificateur

Taux de comptage maximal : 0.3 Mcts/s

Pile-up : 1 % à 32 kcts/s

∆V ∝ EPhoton X

Photon X

Photon XReset Reset

∆V

tPhot

Sortie Pre-Amp

Temps

Registres à décalage

L pointsG pointsL points

- +

0 1 1 10 01 1 0 10 0. . . .. .. . . .. .0 0 1 01 1

1 1 0 11 10 1 0 01 1. . . .. .. . . .. .1 0 0 11 1

Différence moyenne entre 2 ensembles de L points séparés par G points

tPhot

‣ Filtre lent pour la détermination de ∆V

‣ Filtre rapide pour la détermination de tPhot Identique au filtre lent avec L=3 et G=1☺Fournit une estimation de ΔV complémentaire du filtre lent et une estimation du pile-up

Choix de L : L grand ➠

Filtre lent

0Filtre rapide∆V

☺diminue l’influence du bruit ☹ augmente le temps d’intégration

Choix de G : G petit ➠☺améliore la mesure de ΔV☺diminue le temps d’intégration ☹ si G trop petit, dégrade la mesure

de ΔV

➡Optimisation des paramètres L et G

Spectre de la source de Fe55

~5.9 keV

~6.4 keV

FWHM1

Conclusions :Démonstration des excellentes performances de la chaîne d’acquisition numérique :

➡ Résolution mesurée de ~130 eV à 6 keV

NumériqueAnalogique

Pas de sources de bruit entre la pré-amplification et la numérisation

Chaîne d’acquisition numérique ➜•Alternative simple et performante à la solution classique analogique•Particulièrement adaptée dans les forts taux de comptage (p.ex, focalisation du rayonnement sur le détecteur)

‣Ajustement des raies du Fe55 par des gaussiennes pour chaque spectre

‣Mesure de la FWHM‣Représentation de FWHM1 = f(L,G) en code couleur et en 3D

Conclusions : Perspectives :

‣Développement d’un ASIC pour la pré-amplification et la numérisation‣Intégration de la chaîne d’acquisition numérique dans le modèle de calibration de la mission américaine

NUSTAR

D. Barret, L. Ravera, P. Bodin, C. Amoros, M. Boutelier, J. Glorian, O. Godet, G. Orttner, K. Lacombe, R. Pons, D. Rambaud, P. Ramon, S. Ramchoun, J. Biffi, M. Belasic, R. Cl edassou, D. Faye, B. Pouilloux, C. Motch, L. Michel, P. H. Lechner, A. Niculae, L. W. Strueder, G. Distratis, E. Kendziorra, A. San- tangelo, C. Tenzer, H. Wende, J. Wilms, I. Kreykenbohm, C. Schmid, S. Paltani, F. Cadoux, C. Fiorini, L. Bombelli, M. Mendez, and S. Mereghetti. e High Time Resolution Spectrometer (HTRS) aboard the International X-ray Observatory (IXO). In Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference Series, volume 7732 of Presented at the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference, July 2010.

W. Warburton and P. Grudberg, “Current trends in developing digital signal processing electronics for semiconductor detectors,” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelera- tors, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, vol. 568, no. 1, pp. 350 – 358, 2006. New Developments in Radiation Detectors - Proceedings of the 10th European Symposium on Semiconductor Detectors, 10th European Symposium on Semiconductor Detectors.

‣Démonstration de la facilité de mise en oeuvre à partir de composants spatialisables

Les chaînes dʼacquisition analogiques ont toujours été implémentées avec succès dans les détecteurs des missions dʼobservation en astronomie. Mais lʼévolution actuelle des besoins de ces missions vers une résolution toujours plus importante pour des taux de comptage de plus en plus élevés rend ces chaînes dʼacquisition de plus en plus complexes à mettre en oeuvre. Dans ces circonstances, lʼémergence de chaînes dʼacquisition numériques ouvre de nouvelles perspectives et offre une alternative intéressante du fait de leurs performances excellentes à fort taux de comptage et de leur simplicité de mise en oeuvre. Nous présentons dans ce poster les résultats dʼune étude menée en collaboration avec le CNES sur un prototype de chaîne dʼacquisition numérique pour une diode en Silicium. Après avoir présenté les avantages et inconvénients de la chaîne numérique dans le contexte spatial, nous présentons le principe de fonctionnement de cette chaîne et les premiers résultats de sa caractérisation. Nous montrons en particulier quʼune résolution de 130 eV à 6 keV est atteinte pour ce prototype.

‣Excellentes performances du prototype

‣Facilité de calibration

(1) Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie, 9, avenue du Colonel Roche, BP 44346, 31028 Toulouse Cedex 4(2) Centre National d’Etudes Spatiales, 18 avenue Edouard Belin, 31401 Toulouse Cedex 9