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 ADC 40 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 D LUT FPGA D LUT D LUT Détecteur Silicon Drift Detector Détecteur Silicon Drift Detector Chaîne de lecture numérique Pre-amplificateur 0101001 ADC 0101001 D LUT FPGA D LUT D LUT 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’amplificateurs Beaucoup 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 ∝ E Photon X Photon X Photon X Reset Reset ∆V t Phot Sortie Pre-Amp Temps Registres à décalage L points G points L points - + 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 . . . . . . . . . . . . 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 . . . . . . . . . . . . 1 0 0 1 1 1 Différence moyenne entre 2 ensembles de L points séparés par G points t Phot ‣ Filtre lent pour la détermination de ∆V ‣ Filtre rapide pour la détermination de t Phot 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 0 Filtre 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 Numérique Analogique 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