dark current as a funtion of the gain

Figureiii.4– Courant d’obscurité du détecteur en fonction du gain d’avalanche tel que je l’ai mesuré sur la caméra de MIRC-X

section ces différents comportements, notre compréhension de ces anomalies et comment nous les corrigeons.

iii.2.1

Le premier problème que nous avons rencontré est un signal que nous appelons signal parasite. Il s’agit d’un signal périodique sinusoïdal qui apparaît sur tout le détecteur. D’après FLI il s’agit d’un problème venant du tube pulsé servant au refroidissement de la caméra. La compagnie ne sait pas comment le faire disparaître pour l’instant.

La Fig.iii.6est une rampe non destructive entre deux réinitialisations du détecteur, à une cadence de lecture de3500Hz. Cette figure montre un signal croissant dû à l’intégration du signal de courant d’obscurité, associé à un signal sinusoïdal en fonction du temps. Les différentes couleurs correspondent à différentes zones du détecteur. On observe alors que ce signal sinusoïdal a la même phase sur tout le détecteur, pour la cadence de lecture élevée qui a permis d’obtenir cette figure. Le signal parasite a une amplitude d’environ20ADU et une fréquence d’environ90Hz.

Ce phénomène est problématique pour obtenir un signal correct lorsque l’on fait la soustraction de deux lectures consécutives, amenant des valeurs négatives régulièrement.

J’ai mis en place deux méthodes pour corriger le signal final de ce signal parasite. Comme la fréquence du signal est plutôt lente (90Hz) en comparaison avec la cadence de lecture du détecteur (jusqu’à3500Hz pour une fenêtre comprenant tout le détecteur), il est possible de mesurer ce signal sur des parties non illuminées du détecteur, et de le soustraire au signal brut des parties illuminées du détecteur. La deuxième méthode utilise la propriété périodique du signal. En effet, en filtrant fréquentiellement le signal brut, il est possible de supprimer ce signal parasite.

Figureiii.5– Carte du bruit total du détecteur, en fonction de la cadence de lecture et du gain d’avalanche tel que je l’ai mesuré sur la caméra de MIRC-X

2450 2500 2550 2600 2650 Frame number 40 20 0 20 40

Frame mean value [ADU]

space mean of pixels value over time for the whole frames of HotMirror_G1_NDR200

box 0 box 1 box 2 box 3 box 4 box 5 box 6 box 7

Figureiii.6– Rampe non destructive montrant le signal parasite

La figureiii.7montre la transformée de Fourier temporelle du signal, à gauche avant de filtrer la fréquence du signal parasite, à droite après avoir filtré le signal parasite. Les données utilisées pour cette figure ont été prises à un gain d’avalanche de15. La figureiii.8montre une rampe d’intégration du signal de la caméra. À gauche nous avons une rampe à gain d’avalanche de15avant filtrage du signal parasite, et à droite, la même rampe après filtrage du signal parasite. Le résultat ne dépend pas de la valeur du gain d’avalanche utilisé.

iii.2 e f f e t s i nat t e n d u s 39 0 20 40 60 80 100 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 155 150 145 140 135 130 125

Figureiii.7– Figure de la FFT temporelle du signal. À gauche, avec le pic vers30, signifiant une période de30 trame, soit environ90Hz avec des trames de3ms. À doite, corrigée

1000 1020 1040 1060 1080 numero de la trame 20550 20600 20650 20700 20750 20800

valeur de la trame (ADU)

1000 1020 1040 1060 1080 numero de la trame 20550 20600 20650 20700 20750 20800

valeur de la trame (ADU)

Figureiii.8– Signal temporel avant (gauche) et après filtre fréquentiel (droite)

iii.2.2

Le deuxième effet inattendu est ce que nous appelons l’anomalie de réinitialisation. Ce phénomène apparaît à chaque réinitialisation du détecteur. Il a pour effet de donner une valeur anormale à la première lecture du détecteur après cette réinitialisation, ainsi qu’à la dernière lecture avant la réinitialisation du détecteur. Cette anomalie est visible sur la Fig.iii.6aux lectures numéros2450et

2650. Cette anomalie est présente sur tout le détecteur e-APD SAPHIRA. Sa provenance est encore méconnue mais il semblerait que les modèles les plus récents ne présentent plus cette anomalie.

Nous ne pouvons pas corriger cette anomalie, mais savoir qu’elle existe nous permet de ne pas prendre en compte ces lectures dans l’analyse du signal. Nous ignorons donc la première et la dernière lecture de chaque rampe.

iii.2.3

Lors de l’analyse des cartes de bruit et de courant d’obscurité nous avons constaté un problème supplémentaire. Si nous considérons le flux mesuré sur les cartes de courant d’obscurité comme Poissonnien, nous pouvons en calculer le bruit que nous devrions obtenir pour ce flux. Or, lorsque nous comparons ce bruit avec celui mesuré sur les cartes de bruit, nous trouvons que le bruit mesuré est plus petit que le bruit théorique.

En effet, si nous prenons le flux à gain d’avalanche de 200sur la figure iii.3, on voit un flux relativement constant d’environ250e/s. Pour une cadence de lecture de10Hz, cela donne25électrons. Donc le bruit associé devrait être

σ_th

=√

oùσ_thest le bruit théorique. Quand on regarde à la carte de bruit, on voit que le bruit mesuré à une cadence de lecture de10Hz et au gain d’avalanche de200est deσmes

=

Sachant que le bruit mesuré est le bruit total, prenant donc en compte le bruit de photon et le bruit de lecture, ce bruit mesuré ne devrait pas pouvoir être plus petit que le bruit de photon venant du fond thermique.

iii.2.4

Le dernier effet inattendu est ce qu’on appelle le "tunneling" (Goebelet al.,2018). Ce phénomène est dû à la tension de polarisation à laquelle est soumise la région de multiplication de l’e-APD. Cette tension permet d’accélérer l’électron incident, mais elle réduit également l’énergie potentielle des électrons des atomes du substrat. La libération d’électrons de façon autonome par effet tunnel est alors facilitée. Cela crée donc une augmentation du courant d’obscurité. Cet effet est fortement visible sur la figureiii.4. L’augmentation du courant d’obscurité avec le gain d’avalanche est visible. Cela est dû au fait que pour augmenter le gain d’avalanche, il faut augmenter la tension de polarisation dans la région de multiplication, et donc augmenter la libération d’électrons par effet tunnel.

Ce n’est pas tant le phénomène de tunneling qui est inattendu, mais son intensité. Cela nous empêche d’utiliser des gains d’avalanches trop élevés. En effet le tunneling apporte du bruit au signal, et donc il arrive un moment où le bruit ajouté est plus important que la multiplication du signal par l’avalanche. Nous perdons alors en SNR.