R&D Insu 2011retd-insu-2011.obs.ujf-grenoble.fr/Presentations/colloqu...CEA DSM Irfu R&D Insu 2011 Technologies des détecteurs Astro X et X-dur un tour de France partiel O. Limousin,

CEA DSM Irfu CEA DSM Irfu

R&D Insu 2011

Technologies des détecteurs Astro X et X-dur un tour de France partiel

O. Limousin, CEA [email protected]

Olivier Limousin


Sommaire

1.!Les motivations pour la R&D 2.!Les Détecteurs pour l’astro X ①! Gazeux – InGrid/Octopuce ②! Si – SDD ③! Matrices de !calorimètres MIS

3.!Les Détecteurs pour l’astro X-Durs ①! Si – DSSD ②! Ge Strip ③! CdTe

Olivier Limousin


•! Science –!Physique des Objets compacts super massifs –!Résolution du fond diffus X –!Étude de la matière dans des états extrêmes –!Étude de l’émission non thermique, accélération de particules, champs magnétiques –!Étude de la polarisation, synchrotron

Motivations pour des développements "

Olivier Limousin mai 2011


La motivation est une affaire de sensibilité"

Olivier Limousin


Conséquence sur les détecteurs (ou spectro-imageurs) •! Scientifiquement

–! Capteurs de photons uniques –! Pixellisation ou résolution Spatiales / Granularité en raison de l’imagerie –! Grande surface en raison du champ de vue –! Rapide en raison (échelle de la 1!s)

•! Du bruit de fond et sa réjection, éventuellement du Compton •! De la précision de datation •! Du Temps mort •! Du Pile-up

–! Haute résolution en énergie, en particulier raie du Fer mais aussi raies activations et BDF –! Mesure de la polarisation des photons uniques –! Grande dynamique spectrale

•! Technologiquement –! Capteurs très intégrés (technos complexes, parfois uniques et souvent chères") –! Nombreuses fonctions de plus en plus proches du capteurs, (mux, ADC, Séquencement, distribution d’horloges") –! Puissance (nombre de canaux et thermique) –! Électronique analogique et numérique mixte (très) bas bruit –! Interconnexions" –! Fiabilité –! Environnement spatial –! Projets longs et à « rebondissements » –! TRL, le fameux facteur de mérite des instruments éligibles à l’orbite

Olivier Limousin


Sommaire



Olivier Limousin


! MicroMegas – Ingrid / Octopuce •! Détecteurs à gaz (Ar ou Ne) montés sur des circuits

microélectroniques de type TimePix en utilisant le procédé InGrid •! Gain 1E5 •! Grande surface •! Permet le comptage d’électrons et la trajectographie 3D des

passantes ou des secondaires •! Mesure de l’énergie, de la polarisation en X •! Résolution spatiale fantastique < 55 !m



! MicroMegas – Ingrid / Octopuce


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! MicroMegas – Ingrid / Octopuce •! Les défis

–! Intégration d’un grand nombre de capteurs –! Passer d’une fab « artisanale » à une production

contrôlée au niveau wafer –! Maintenir le gaz dans le capteur –! Valider la fiabilité du capteur dans l’environnement spatial

et notamment l’effet des particules de basse énergie •!TRL 3/4



Sommaire



Olivier Limousin


! Si – SDD / Fast timing (IRAP)






! Si – SDD / Fast timing (IRAP) •!Développement électronique de lecture par échantillonnage continu (Cf. affiche Boutelier)



•!130 eV Fwhm à 5.9 keV •!1 kcps/s •!-40°C SDD •!Développement solution ASIC en cours •!Maturité technologique de la chaîne élevée.


Sommaire

1.!Les axes de développements 2.!Les Détecteurs pour l’astro X ①! Gazeux – InGrid/Octopuce ②! Si – SDD ③! Matrices de !calorimètres MIS


Olivier Limousin


! !calorimètre X MIS – CEA




x 32 x 32

HEMT

ASICAsGa

x 32Inputstage

Multiplexingstage

Ampl ificationstage

Receptionstage

Level

+

_ADC

T = 300 KT = 2.5 K T = 15 KT =

300 mKT = ~50 mK

x 4 x 32 x 4 x 4 x 32 x 4x 4 x 32

x 32 x 32

ASICBiCMOS SiGe

CMOS

x 32

ASICBiCMOS SiGe

Bipolar+ CMOS

!! 4 stages: - the detector biasing (charge resistors) : @300 mK -!the high impedance input stage (HEMT – AsGa by LPN) @ 2.5 K-4K -!the multiplexing and power commuting stage (CMOS – BiCMOS SiGe by AMS) @2.5 K -!the amplifying stage (Bi + CMOS – BiCMOS SiGe by AMS) @15K

"! GaAs/Al/GaAS HEMT are our solution: 2D electron gaz ==> Work at very low T,"Input capacitance !! 5 pF , Noise!! 2nV /!Hz@1kHz, typical consumption !! 50µµW""! BicMOS SiGe ASIC for Mux, Commutation and Amplification"



•! Trois R&D de front –! Détecteurs

•! Matrices de thermomètres silicium •! Absorbeurs Ta ultra pur et

caractérisation •! Hybridation collective des absorbeurs

sur des matrices de thermomètres •! Anti-coïncidence intégrée

–! Microélectronique cryo •! Adaptation d’impédance (HEMT) •! Multiplexage et commutation •! Ultra bas bruit •! Ultra basse consommation

–! Intégration et système •! Architecture mécanique et thermique •! Acheminement des signaux •! Test cryo et équipements


Prototype de matrice 8 x 8

Zoom sur un pixel (ici sans billes ni absorbeur)

ASIC CryoTrans0 ASIC CryoTransT HEMT (LPN)


! !calorimètre X MIS – CEA •! Les avancées récentes de front

–! Détecteurs

–! Microélectronique cryo

•! Système et intégration


Sommaire



Olivier Limousin


•! Le but est de concevoir des télescopes Compton (gamma) en empilant une grandes quantités de Si DSSD.

•!Ce même type de techno permet de réaliser des spectro-imageurs à pas très fin (100 !m) pour des imageurs spectrométriques X dur

•! Le tout en limitant le nombre de canaux et la puissance autant que possible

•!Dynamique 2keV-50 keV •!Résolution 1 keV à 6 keV •!Synchro/datation 1!s


Si DSSD, ASTRO-H, JAXA/ISAS ! pouce, 400"m pitch, 64+64 strips

! Si DSSD (APC)


! Si DSSD (APC)


•!Héritage ASTRO-H pour la fab des DSSD •!Héritage ASIC CEA pour l’électronique frontale

•!Défis techno –! Seuil bas de 2 keV avec des détecteurs fortement

capacitifs (et un budget de puissance modeste) –! Intégration détecteurs au pas de 100!m sur 9 cm de côté –! Intégration de puces dans un environnement confiné

(flip chip et qualification spatiale) –! Facteur d’échelle (des petits prototypes ne disent pas

grand chose de l’échelle 1) –! Haute tension et liaisons DC –! Thermique (opération <-20°C) –! Environnement spatial et radiations (héritage ASTRO-H)


! Si DSSD (APC)


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1.!Les axes de développements 2.!Les Détecteurs pour l’astro X ①! Gazeux – InGrid/Octopuce ②! Si – SDD ③! Matrices de !calorimètres MIS


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•! Programme nouveau •! Détecteur Ge haute pureté •! Détecteur de gros volume

–! Bonne efficacité quantique –! Détecteur monolithique sans

zone morte –! Dynamique -> 200 keV

•! Détecteur à strips –! Nb limité de canaux

•! 70-80K •! Excellente résolution E

–! <<1 keV fwhm @ 60keV –! Seuil bas qq keV

•! Résolution spatiale –! Qq 100aines !m 2D –! 1 mm en 3D (prof.)

•! Héritage Integral/SPI –! Ge annealing (neutrons)


! Ge DSSD (IRAP)

HPGe strippé LBNL, US pour ex

(Cf. affiche Mateu, Roques et al.) IPHC


! Ge DSSD (IRAP) •!Utilisation de la charge miroir pour améliorer la précision

de localisation 2D et la détermination de la profondeur d’interaction

•!Permet la correction de perte de charges, la reconstruction Compton, la détermination de la polarisation

•!Facilite la réjection du bruit de fond

IPHC


•!Etapes de développement –! Design d’un prototype –! Modélisation 3D (MGS) du capteur et de son électronique

et optimisation de l’analyse de données embarquée –! Mise en œuvre de la chaîne d’acquisition (TNT2)


! Ge DSSD (IRAP)

IPHC


•! R&D nouvelle permettant une alternative aux détecteurs à pixels, notamment CdTe

•! Maturité du projet encore naturellement modeste (TRL2/3) •! Défis technologiques

–! Fabrication du capteur –! Interconnexion des strips –! Radiations et annealing (héritage Integral) –! Electronique de lecture (PAC and ADC par strips) et de traitement

numérique des formes d’impulsions (AGATA, IPHC), signaux faibles pour les charges miroirs


! Ge DSSD (IRAP)

IPHC


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Olivier Limousin

CEA DSM Irfu

Parameters Simbol-X High Energy Detector Class mission

Requirements Technological solutions

Energy band Efficiency > 90 % at 80 keV Effective Threshold ~ 4 keV

CdTe detectors 1 or 2 mm thick

Field of view Array of 64 cm2 Mosaic of 8 x 8 detectors

of 1 cm2 PSF Sampling Pixel size of 625 !m Segmented anode (256 pixels)

Energy resolution

!!E < 1 keV FWHM at 60 keV

Detectors with low leakage current Low noise front end electronics (< 70 el. rms) Small capacitance in-between

Time resolution Time-tagging < 100 ns rms Time-walk correction

Integration In the coincidence shielding

4 side- buttable cameras

" Chips perpendicular to the detection surface

" 1 x 1 x 2 cm3

IDeF-X ASIC

CALISTE Spectro-imager with time-tagging capability

Olivier Limousin

! CdTe pixels (CEA)


IDeF-X V2 ASIC 32 analog channels

Mounting on PCB

8 ASIC Stacking

Electrical body with a 7 x 7 PGA

Cd(Zn)Te 256-pixel detector (0.58 mm pitch, 1 or 2 mm thick)

Caliste 256 camera

Olivier Limousin

! CdTe pixels (CEA)


Massive thermal drain Flex-rigid PCB

MACSI

Présentation SRG – IRFU – 20/05/10

! CdTe pixels (CEA)

CEA DSM Irfu

Features Caliste 64 Caliste 256 Caliste 256 V2

Dimensions of the 3D block 10 x 10 x 18.6 mm3 10 x 10 x 20.7 mm3 10 x 10 x 16.5 mm3

Electrical I/F

Pin grid array 7 x 7 (1.27 mm pitch) 7 x 7 (1.27 mm pitch) 4 x 4 (1.27 mm pitch)

Number of pixels 64 (8 x 8) 256 (16 x 16) 256 (16 x 16)

Pixel pitch 1 mm 580 !m 625 !m

Guard ring width 1 mm 200 !m 20 !m

Number of ASIC 4 8 8

ASIC version IDeF-X V1.1 (16 channels) IDeF-X V2 (32 channels) IDeF-X HD (32 channels)

Slow control No Yes Yes

Electrical interfaces 3.3V, 2.2 V, Digital IO,

Analogue Outputs, Test Input 3.3V, Digital IO, Analogue

Outputs, Test Input

3.3V

Fully differential I/F, Digital IO, Analogue Outputs, Test

Input

Power consumption per module

Consumption per channel

188 mW 2.93 mW

816 mW 3.18 mW

230 mW

0.9 mW

Development Status Achieved successfully

14 devices completed

Achieved successfully

9 devices completed

Achieved succesfully

25 devices in fab

Olivier Limousin

! CdTe pixels (CEA)

CEA DSM Irfu

Noise + Off pixels Mask (real data)

Spectral response

~+20°C/400V/HV cycling / SN6

~+20°C/0V – 20pA leakage injection/SN2

Olivier Limousin

! CdTe pixels (CEA)


Validation Caliste 64 Caliste 256 Caliste 256 V2

Noise performance

~58 e- rms

at 9.6 !s, 0 pA

64 e- rms

at 9.6 !s, 0 pA

25e-+ 5.5 el./pF rms

at 13 !s, 1 pA

Spectral resolution < 1.2 keV fwhm @60

keV

OK ~850 eV at 60 keV, -20°C

OK <900 eV at 60 keV, -5°C

From noise measurements <900 eV at 60 keV, <0°C

Low threshold 1.5 keV, -20°C ~2 keV, -5°C From noise measurements <2 keV, -20°C

Radiation hardened design

SEL LETASIC

SEU LETASIC

No

12 MeV.cm2.mg-1

NA

Yes

65 MeV.cm2.mg-1

9 MeV.cm2.mg-1

Yes

65 MeV.cm2.mg-1 (TBC)

9 MeV.cm2.mg-1 (TBC)

VRT Pass Pass To be evaluated

no technological change

THB Pass Pass To be evaluated

no technological change

Schock, Vibrations Pass Pass Pass

Olivier Limousin

! CdTe pixels (CEA)


•! L’étape suivante –! Augmentation de la densité de pixels

spectrométriques •! Pour atteindre la résolution limite

intrinsèque •! Pour s’adapter au besoin de focales

courtes en X dur –! Nouveau programme MC2 (Mini CdTe on

Chip) •! ASIC analogique frontaux 3D, •! Pixel pitch 250-300!m •! ASIC ADC frontaux •! Système aboutable sur 4 côtés

•! Défis techno –! Design bas bruit/basse conso/radhard –! Technos sub-microniques analogiques –! Mise en œuvre de backend sur des ASIC

en techno standard que nous qualifions –! Empilement d’ASIC dans des technos

hétérogènes choisies en raison de la maturité des designs ou de leur performance

–! Interconnexion CdTe sur puce (compatible des contraintes de qualification spatiale) – possible collaboration avec JAXA/MHI sur ce point.


! CdTe pixels (CEA)

ASIC Caterpylar 2

Merci de votre attention"

Caliste 64 dans son environnement de test au labo

Documents

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