Détection des photons

Durant nos expérimentations en réacteur, nous avons presque exclusivement estimé le ux lumineux sortant du capteur CANOE avec un photodétecteur de type photodiode à avalanche surpolarisée (APD-Geiger) utilisé en mode comptage. Cette technologie est optimale pour mesurer des ux de photons particulièrement faibles, montrant ainsi les limites de détections basses d'un capteur scintillant.

On rappelle la puissance instantanée d'un ux de photon :

W_p = φ_pE_p (6.1)

3. On considère généralement un rayon de courbure minimal d'une bre égal à 100 fois son diamètre. 4. Il convient de séléctionner un assemblage fait de bres de faible diamètre, ce qui réduira le rayon de courbure minimal

Figure 6.1  Solutions disponibles pour augmenter sensiblement l'ecacité d'un couplage optique de chambre à ssion optique.

Gauche : Cône taper consitué de milliers de bres optiques en silice fusionnées à l'étrangle-ment. D'autres formes existent.

Droite : Assemblage bundle de bres optiques en silice avec revêtement d'aluminium, souble, robuste et orant une redondance au signal.

avec φp le ux de photons d'énergie Ep.

En considérant une longueur d'onde moyenne des photons d'intérêt à 900 nm, chaque photon possède une énergie de 2.21E-19 J, soit 1.37 eV. Notre CANOE contenant de l'argon et 750 µg d'uranium, exposé aux neutrons du réacteur ASTRID à puissance nominale sous le bouchon tournant laisse ainsi présager une puissance optique de l'ordre de 5.2E-14 W, cinquante-deux femto-watt si le couplage s'eectue avec une simple bre optique de 1 mm de diamètre. Bien qu'inme, des puissances similaires ont été mesurées lors de nos expérimentations sur ORPHÉE.

D'autres modes de mesure, liés à la technologie des photodétecteurs employés existent, et peuvent se prêter davantage au suivi de puissance d'un réacteur, ou à des applications de re-cherche demandant des résolutions temporelles très courtes. De manière similaire aux chambres à ssion classique, il est possible de mesurer une puissance lumineuse suivant plusieurs modes :

1. La discrimination et le comptage d'impulsions (Pulse Height Analysis) 2. L'intégration d'impulsions (amplicateur de charge)

3. La mesure d'un courant photo-induit moyen (amplicateur transimpédance)

Nous détaillons ici les diérentes technologies de capteurs opto-électroniques aptes à détecter une puissance minimale de l'ordre de quelques dizaines de femto-watt.

Quelques grandeurs d'intérêt pour la sélection de photodétecteur sont présentées ici an de sélectionner d'autres systèmes de détection.

Responsivité Rλ , l'intensité émise par le photodétecteur en fonction de la puissance lumineuse reçue à une longueur d'onde donnée vaut I/Pλ. Typiquement 0.6 A/W pour un détecteur silicium à 900 nm.

Ecacité quantique , fraction des photons incidents induisant un photocourant. Elle atteint 90% à 900 nm pour les détecteur à substrat silicium.

Courant d'obscurité (Id) , le courant traversant dans la photodiode en mode photocon-ductive dans l'obscurité totale. Il est fonction de la température, de la surface sensible et de la tension de polarisation. Typiquement de quelques nA.

Impulsions d'obscurité (DCR) , le nombre d'impulsions générées en l'absence d'illu-mination. Il varie avec la surface du détecteur, sa température d'utilisation et sa tension de polarisation, entre autres.

Ecacité de détection (PDE) , le rapport entre le nombre d'impulsions en sortie du photodétecteur et le nombre de photons incident. Le PDE varie avec la longueur d'onde. Puissance équivalente de bruit (NEP) , la plus petite puissance détectable par le système à une fréquence d'échantillonnage donnée, usuellement exprimée en pW/^√Hz Gain en intensité ou en tension, est le rapport entre la grandeur en sortie du photodé-tecteur, et la valeur obtenue par sa seule responsivité. Obligatoirement de 1 pour les photodiodes et CCD, elle peut atteindre 1E+7 sur des modèles spécialisés type SiPM. L'impact d'un photon sur un substrat semi-conducteur peut générer des paires électrons-trous si son énergie est supérieure à celle de la bande interdite (quelques eV). En libérant des élec-trons dans la zone de diusion, la conductivité électrique augmente et l'application d'une tension de polarisation aux zones P et N laisse ainsi apparaître un courant proportionnel au ux incident. Ce régime de fonctionnement, photoconductivité, est communément utilisé pour la transmission de données par bre optique car elle autorise des fréquences de lecture très élevées, grâce à l'abaissement signicatif de la capacitance de la zone PN, permettant une analyse de hauteur d'impulsion. Une chaîne de mesure classique, comme employée en gamma-spectroscopie peut avantageusement être employée pour la discrimination et le comp-tage d'impulsions.

Si aucune polarisation n'est appliquée, un courant de fuite proportionnel à l'illumination ap-parait toutefois aux bornes de la photodiode car des électrons seront éjectés de la surface photosensible, le mode fonctionnement est dit photovoltaïque. Ce mode ore l'avantage d'une réponse linéaire si la résistance de charge est très inférieure à la résistance interne de la photodiode. Un courant de charge virtuellement constant peut être généré en branchant la photodiode aux bornes d'entrée d'un amplicateur transimpédance ou de charge à remise à zéro pilotée comme nous l'avons évalué sur notre système MONTLUÇON. Le mode photovol-taïque ore l'avantage d'un bruit d'obscurité plus bas (seul le bruit Johnson est déterminant), et d'une simplicité de construction, mais n'est pas exploitable en discrimination de hauteur d'impulsion. Les circuits de mise en forme du signal étant strictement similaires, le basculement d'un mode de mesure à l'autre est possible en apposant simplement la tension de biais voulu, comme exposé Fig. 6.2. An d'apporter une amplication au signal, des photodiodes possé-dant une zone intrinsèque large peuvent être polarisées à la limite de leur seuil d'avalanche, ce qui ore un gain de l'ordre de la centaine : on parle alors de photodiode à avalanche (APD). Un schéma d'APD est présenté Fig. 6.3.

Parce qu'elles produisent cette amplication, les APD génèrent un meilleur rapport signal-sur-bruit que les photodiodes standard (facteur 12) mais doivent idéalement êtres refroidies, jusqu'à -20ºC.

Si la photodiode à avalanche est polarisée au delà de son seuil d'avalanche, un photon impac-tant le substrat générera une avalanche électronique qui ne s'éteindra que si la tension à ses

Figure 6.2  Modes d'opération d'une photodiode classique. Gauche : photovoltaïque (sans biais), Droite : photoconducteur (avec biais négatif)

Figure 6.3  Mécanisme d'amplication intrinsèque du signal dans un APD. Une large zone intrinsèque permet de mieux détecter les photons proche-infrarouge et amplier le photo-signal.

bornes est abaissée, par un circuit externe. Ces photodiodes en régime Geiger appartiennent à la famille des Single Photon Avalanche Photodiodes (SPAD) et sont adaptées au comptage de photon unique à très bas bruit (quelques coups par seconde), avec une ecacité quantique atteignant 90% dans certaines zones spectrales. C'est la technologie que nous avons choisie pour notre CANOE, dont la puissance lumineuse est faible vu les débits de uence de neutrons rencontrées.

Une matrice de plusieurs milliers de SPAD branchés en parallèle peut atteindre des surfaces considérables, du millimètre au centimètre carré, autorisant la détection de photons uniques sur l'ensemble d'une bre optique multimode ou d'un bloc scintillateur. Un schéma des deux technologies de détection est présenté Fig. 6.4

Ces Silicon PhotoMultiplier (SiPM) ou Multi-Pixels Photon Counters (MPPC) tendent à remplacer les tubes à photocathode-dynodes dans les applications d'imagerie nucléaire, où les blocs scintillants émettent une lumière dans la gamme 300-400 nm. Le fort gain se paye au prix d'un important bruit de fond, de l'ordre de la centaine de milliers de coups par millimètre carré.

Parce qu'une matrice de conducteurs et résistances de désactivations se trouvent sur le même substrat, les cellules des SiPM ont une zone intrinsèque moins grande que celles des APD

Figure 6.4  Schémas d'un SPAD basé sur une APD-Geiger, et un SiPM

Figure 6.5  Évolution du signal d'un SiPM en fonction de l'illumination. Un courant moyen peut être mesuré à haut ux.

classiques, réduisant leur ecacité pour la détection du rouge-infrarouge.

Les SiPM actuels ont une ecacité de détection dans la zone 900 nm autour de 1% pour la plu-part des modèles bas-bruit, et jusqu'à 10% pour les modèles spécialisés proche infrarouge. Si une discrimination de la hauteur d'impulsion n'est pas désirée, les SiPM peuvent également être utilisés en mode courant ou seule la composante continue du signal sera exploitée, avec une linéarité presque parfaite sur 4 à 5 décades. L'allure du signal d'un SiPM en fonction de l'illumination est présentée Fig. 6.5

Le NEP à 900 nm ces diérentes technologies de détection et leurs prix caractéristiques tech-niques sont récapitulées dans le tableau. 6.1. Si cette donnée est absente de la documentation de la photodiode/APD, on calcul le NEP par :

N EP = h ν √

2DCR

P DE (6.2)

Le NEP d'un SiPM utilisé en mode analogique est simplement estimé par un ux lumineux monochromatique égalant le courant d'obscurité tel que :

N EP_a= ^Id

P DE · Gain (6.3)

Technologie NEP (fW)@900 nm Prix Comptage d'impulsions

APD industrielle C30737XH-230-9X 1 40

APD refroidie C30902SH-DTC 1.85E-02 1000

SPAD C13001-01 3.3E-02 2500

SPAD C14463-050GD 3.45E-02 3000

SPAD SPCM-AQRH-16 3.9E-03 8500

Mesure de courant PIN VTB1113H 5.9 2 PIN S5971 7.4 10 PIN020-A 2.8 15 SiPM PM3350 ∼3E+03 65 SiPM PM1125 ∼6.32E+02 52 SiPM RB-10010 ∼1.85E+04 172 SiPM RB-10035 ∼8.02E+03 172

Table 6.1  NEP à 1 Hz de diérents photodétecteurs sous une illumination monochromatique à 900 nm, et leur prix indicatif.

de comptage avec quelques femto-Watts d'illumination proche-infrarouge [1].

La mesure de courant directe (non intégré) que ce soit par diode PIN-photovoltaique [2] ou SiPM [3] peine à produire une mesure à haut SNR car le bruit est du même ordre de grandeur que le photocourant produit : cette méthode n'est intéressante qu'en excursion de puissance, avec des capteurs de grandes dimensions ou pour la mesure entre les plaques de combustible. En régime de puissance, une photodiode utilisée en photoconduction, couplée à un amplica-teur de charge produira des impulsions similaires à celles des tubes PMT classiques, autorisant une analyse de hauteur d'impulsions, ainsi que la discrimination du signal alpha, gamma et neutron.