R&D SiPM

L'APC est impliqué dans un travail de R&D concernant un imageur formé d'une matrice de SPAD (Single Photon Avalanche Detectors). Ce dévelopement a été motivé par le besoin d'un imageur sensible au photon unique necessaire à la réalisation d'un telescope compton du type Cube gamma. Le concept à la base du Cube gamma a fait l'objet d'un brevet qui peut etre valorisé dans le contexte d'une gamma camera médicale. Le dévellopement d'un imageur à SPAD peut aussi servir d'autres applications scientifiques tel que :

 

  • Imagerie des grandes gerbes atmospheriques
  • Detection direct de matière noire
  • Calorimètre de telescope compton
  • Telescopes Cerenkov

 

Dans ce contexte, l'APC en collaboration avec le laboratoire Le2i de Dijon a développé un prototype de matrice de SPAD :

Ce développement est un premier pas vers la réalisation d'imageurs de grande taille (10 cm).

Le principe d'imagerie d'une caméra gamma utilisant cette imageur repose sur la formation d'images de traces lumineuses à l'intérieur d'un scintillateur suivant le modèle d'une caméra plénoptique. Un réseau de petites lentilles produit une reseau d'images sur un imageur.  

Les scintillateurs ne produisant que peu de lumière, un photodétecteur sensible au photon unique capable de réaliser une image avec une résolution d'environ 100 µm est requis.

Les SPAD (Single Photon Avalanche Detectors), éléments de base des SiPM, sont capables de détecter un photon unique et ont des dimensions typiques de l'ordre de quelques dizaines de µm. 

Image de gauche: principe de l'imagerie plénoptique d'un scintillateur (Credit: R. Terrier)

 

Pour les besoins de la gamma camera, la densité de photon sur l'imageur étant très faible, les SPAD sont utilisés comme détecteurs digitaux. Une électronique digitale de codage utilisant cette propriété est intégrée sur le même substrat et permet de remonter à l'adresse du pixel touché. La matrice fonctionne ainsi comme un véritable imageur sensible à 1 photon.

Une première étape dans la réalisation d'un tel imageur est en cours, elle consiste à réaliser un prototype de matrice de SPAD intégrant l'électronique de codage de l'adresse. Les premiers ASIC ont été conçus en collaboration avec le Le2i et viennent d'ètre réalisés en technologie CMOS 0.35 d'AMS.

  

Image de gauche: SPAD 10μm. Image de droite: Matrice de 30 x 30 SPADs (Designer: D. Pellion Le2i et D. Prêle, APC)

 

 

Les SPAD sont actuellement caracterisés en lumière. Cette première étape va permettre d'entreprendre le design d'un imageur de plus grande dimension. La tension de claquage d'un SPAD en technologie CMOS 350nm n'est que de 13V.  Image de droite: I(V) d'un SPAD de 10 µm

 

 

 

La technique de "multiplexage" front-end implémentée dans les ASIC est basée sur une technique de codage digital détaillée dans la figure ci dessous:

 

Image de gauche: Principe de codage digital d'une matrice de SPAD. Imade de droite: Pixel (SPAD+Codeur)

Ce principe de lecture sera validé à l'aide de ce premier prototype.

 

Liste des agents impliqués à l'APC

  • LEBRUN François
  • NOURY Alexis
  • PRELE Damien
  • TERRIER Regis
  • VOISIN Fabrice

 

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