Calibration (Ajustement des seuils de détection)

Avant de pouvoir utiliser un détecteur à pixels hybrides, nous devons déterminer la valeur des seuils de discrimination pour chaque pixel. Cette procédure est appelée calibration du détecteur. Une valeur de seuil différente est mémorisée au niveau de chaque pixel, dans une petite mémoire

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de 6 bits, ce qui correspond, une fois converti en niveau de tension et comparé aux pulses des photons X, à une résolution en énergie d'environ 600eV (Fig. 1.34).

Figure 1.34 : Schéma de la chaîne de comptage de chaque pixel, attribution des valeurs de seuils déterminés par calibration et stockées dans la mémoire RAM.

La calibration d'un détecteur pixel est une opération délicate et indispensable. C'est le point critique dans la détection des photons X. Elle s'appuie sur le principe du partage des charges entre pixels voisins et sur le seuillage à la demi-énergie des photons incidents. La réalisation de cette calibration se fait avec des mesures et des algorithmes, elle sera détaillée au chapitre suivant sur la mise en œuvre d’XPAD au laboratoire.

Problème du partage des photons entre pixels voisins : La figure 1.35 illustre les différents cas de figure que l’on peut rencontrer. Tout d’abord en (a), nous avons la situation ‘idéale’ où le photon X interagit avec le capteur au centre d’un pixel. Dans ce cas, toute la charge créée sera

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collectée par le même bump, créant une impulsion uniquement sur ce pixel, cette impulsion de

forte amplitude sera alors largement discriminée. En (b), le photon X arrive à proximité du bord

d’un pixel. Dans ce cas, la plus grande partie de la charge générée sera captée par le bump le plus

proche, mais une partie le sera aussi par le bump du pixel voisin, on a un partage de charges sur

deux pixels. Là, ce sont deux impulsions qui seront détectées sur deux pixels voisins. Il est possible de ne retenir que la plus importante (à gauche sur le dessin) en ajustant la valeur de seuil

Vs à VE/2, l’impulsion de gauche est comptée, celle de droite, non. Avec un tel seuil à la

demi-énergie, on évite à la fois le double comptage du photon incident et la non prise en compte du photon incident sur les deux pixels. En (c), on est dans la situation critique ou le photon X arrive

très proche de la frontière entre deux pixels. La charge captée sur le bump de gauche est la même

que sur le bump de droite, la hauteur des deux impulsions générées est la même. Le photon sera

alors compté ou non, sur un ou deux pixels, suivant la dispersion des caractéristiques électroniques. Nous ne pouvons pas maîtriser ce niveau de finesse, mais ce cas représente une partie infime des photons X absorbés par le capteur et la statistique de comptage en lisse les effets. La calibration à la demi énergie consiste donc à régler le seuil de chaque pixel à un niveau de tension qui correspond à l'amplitude d'une impulsion générée dans le pixel en question par un photon X d'énergie moitié des photons que l'on souhaite mesurer (calibration des seuils à 8,75 keV pour travailler à 17,5 keV pour le molybdène par exemple).

Figure 1.35 : Vue de dessus et en coupe du capteur pour les 3 situations de détection d’un photon X (a), (b) et (c) illustrant la nécessité de calibration des détecteurs à pixels hybrides.

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L’expérience suivante (Bérar et al., 2002) a été réalisée pour illustrer le principe de calibration des détecteurs à pixels hybrides : la surface du capteur est balayée dans une direction avec un faisceau de rayons X fin de 10 µm de largeur, très petit devant la taille du pixel (130 µm pour XPAD). L’intensité collectée est représentée à la figure 1.36 pour différentes valeurs du seuil.

En vert le seuil est trop bas, on a du double comptage aux frontières et donc des augmentations artificielles de l'intensité mesurée. En gris, le seuil est trop haut, les photons trop proches de la limite ne sont pas comptés et en rouge la situation idéale qui donne une réponse la plus homogène possible avec un seuil correspondant à la demi énergie.

Figure 1.36 : Réponse du détecteur sous un balayage d’un faisceau de rayons X fin (FWHM ~ 10 µm). La courbe verte a été décalée vers le haut, elle correspond à des seuils trop bas ce qui provoquent un double comptage du au partage de charges. La courbe grise (décalée vers le bas) correspond à des seuils trop hauts qui amènent un comptage trop faible aux frontières entre pixels. La courbe rouge correspond à une calibration à la demi-énergie. (Bérar et al., 2002)

La situation d’un photon arrivant dans un coin au croisement de quatre pixels est plus défavorable, le partage des charges ne se fait pas entre deux mais entre quatre pixels. L'impulsion générée par un photon sera divisée en quatre et se trouvera automatiquement sous le seuil à la demi énergie, le photon ne sera pas détecté. Il y a donc une petite zone aveugle autour de chaque coin du pixel (typiquement quelques % de la surface du pixel). Ce problème peut devenir assez délicat à gérer si la taille du faisceau de rayon X arrivant sur la surface du capteur est inférieure à la taille des pixels ; on aura dans ce cas une diminution sensible de l’intensité mesurée par rapport à l’intensité

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incidente réelle introduisant des erreurs uniquement sur certaines réflexions sans aucune correction possible. Actuellement, avec des tailles de pixel comprises entre 130 et 170 µm (XPAD ou Pilatus), c’est surtout avec le rayonnement synchrotron que l’on risque d’avoir des problèmes, les tailles de faisceau utilisées étant généralement inférieures. Avec une source de laboratoire, même sur des cristaux de bonne qualité, on obtient, du fait des caractéristiques du faisceau, des largeurs minimum de raies de Bragg de plus de dix pixels carrés. On minimise donc l’influence de cet effet de coin sur l’intensité totale intégrée sur la réflexion par un effet de moyenne. Par ailleurs, si la taille des pixels diminue (détecteur Dectris Eiger, pixels de 75 µm), pour une surface totale du détecteur identique, le nombre de coins entre quatre pixels voisins augmente. Le phénomène de perte d’intensité détectée dans ces régions sera d’autant plus important, mais il est compensé alors par l’effet de moyenne sur plusieurs pixels.

Du fait de la miniaturisation extrême des circuits, la dispersion des caractéristiques électroniques est très importante ce qui explique qu'il existe une très grande dispersion entre les niveaux des seuils des pixels. Certains pixels peuvent même sortir de la gamme de réglage (30 keV) et ne peuvent donc pas être calibrés, ils devront être repérés et pris en compte au niveau de la mesure. Le pas de réglage des seuils (typiquement de l'ordre de 600 eV) introduit de la granulométrie dans l'image ; ceci peut être corrigé en appliquant un champ plat.

Les techniques de calibration et de correction de champ plat sont détaillées dans le deuxième chapitre, la prise en compte des pixels mal calibrés dans le deuxième et le troisième chapitre.