vention de deux mécanismes. D'abord, qu'il y ait un, deux ou plusieurs photons frappant la PAMP en même temps, il n'y aura qu'une seule avalanche. Ensuite, la PAMP devient aveugle pendant et après l'avalanche, exacerbant sa non-linéarité. Si le temps d'arrivée entre deux photons lumineux frappant la PAMP est similaire ou inférieur au temps de recharge (ce qui est probable pendant le pic de scintillation), alors la mesure s'en trouvera aectée.
3.2 Matrice de PAMP
Dans l'application sous étude (la TEP), une seule diode PAMP est insu sante pour ré- colter l'information des pluies de photons d'un cristal scintillateur, soit autour de six à huit mille photons sortants de la surface de contact avec le photodétecteur (quinze à vingt mille photons avant les pertes internes, tableau2.1). De plus, cette surface d'interface est généralement de dix à vingt fois plus grande qu'une cellule PAMP (∼1 mm2 et plus vs 8
à 200 𝜇m de diamètre). Les concepteurs utilisent plutôt des matrices de PAMP, lues soit sous forme de signaux analogiques sommés ou de signaux à niveaux logiques.
3.2.1 Lecture analogique sommée
La lecture analogique d'une matrice de PAMP consiste à simplement sommer en courant toutes les sorties des cellules PAMP ( gure 3.4a). Cette architecture implantée avec la résistance comme circuit d'étouement est la plus répandue et s'identi e par le nom Silicon Photomultiplier, ou SiPM. Elle est particulièrement attrayante, car elle est très simple, compacte, et le signal permet de distinguer le nombre exact de photons observés dans la matrice dans des situations de très faible luminosité (∼20 photons, exemple à la gure3.4b).
Sa simplicité amène un deuxième avantage, soit d'avoir un maximum de surface occupée par la zone photosensible des PAMP. Dans les meilleurs produits commerciaux, le facteur de remplissage sensible atteint de 75 à 90% selon les recettes de fabrication [Grodzicka et al., 2014; Hamamatsu Photonics, 2009]. Ceci permet de maximiser les chances de récolter les photons provenant du scintillateur, un avantage particulièrement signi catif pour les mesures temporelles (section 4.2.1).
La simplicité du fonctionnement des SiPM ne vient pas sans inconvénients. Tout d'abord, la présence d'une seule cellule bruyante perturbe l'ensemble de la matrice, peu importe que les autres soient d'excellente qualité, puisqu'il n'est pas possible de la retirer individuellement du réseau. Ensuite, il est possible qu'une avalanche s'amorce dans une cellule en cours de
32 CHAPITRE 3. ARCHITECTURES DE MATRICES PAMP
(a) (b)
Figure 3.4 a) Schéma simpli é des interconnexions d'un SiPM. b) Exemple dessiné de courbe de la sortie d'un SiPM pour deux puis trois photons détectés. polarisation, soit due à un photon ou une charge piégée. Dans ces cas, le courant généré par la cellule PAMP sera diérent du cas habituel. En mode comptage avec une seule cellule, cela cause moins de problèmes, mais dans le cas d'une matrice, cela introduit des non- linéarités intrinsèques, particulièrement lorsque le nombre de photons frappant la surface est élevé. Ensuite, l'amplitude du signal équivalente à un seul photon est xée par la valeur du réseau de résistances. Les concepteurs doivent donc xer le gain électronique par photon observé pour soit distinguer chaque photon individuellement ou exploiter la pleine plage dynamique en nombre de cellules PAMP faisant feu simultanément. Par exemple, dans une matrice visant une plage dynamique avec 3600 cellules et une variation maximale à la sortie de 3.3V, chaque avalanche doit générer un peu moins de 1 mV de tension. En n, plus il y a de cellules, plus la capacité parasite globale du réseau de résistance augmente, ce qui diminue la bande passante des matrices de très grande taille. Pour les applications à haute précision temporelle, ceci devient une contrainte à éviter.
Une architecture de SiPM avec circuits d'étouement hybrides répond en grande partie à ces problèmes en introduisant un circuit avec transistors et programmable [Nolet et al., 2016]. L'utilisateur peut alors désactiver les cellules bruyantes et ajuster la plage dyna- mique analogique. Ensuite, la non-linéarité des détections en cours de polarisation de la PAMP disparait si une source de courant injecte une charge xe par photon observé dans le noeud de sommation. Du même coup, les concepteurs peuvent ajuster le circuit de sortie pour en diminuer l'impédance et maximiser la bande passante. Le coût à payer provient en partie de la complexité accrue du circuit, mais principalement de la perte importante de surface photosensible transférée au circuit d'étouement actif. Ceci est particulièrement indésirable pour les applications à mesures non corrélées avec faible luminosité comme la TEP. Par contre, la non-linéarité des PAMP due au temps mort de réactivation reste entièrement présente.
3.2. MATRICE DE PAMP 33 Qu'il y ait un circuit d'étouement actif ou passif, le signal résultant circule à travers une électronique frontale qui fait la mise en forme avant la numérisation de l'information spec- troscopique, temporelle et positionnelle [Ahmad et al., 2015; Callier et al., 2009; Powolny et al., 2011; Raux et al., 2012]. La qualité du signal et son type de mise en forme aectent diéremment les trois mesures, ce qui ajoute des variables et compromis supplémentaires dans la chaîne d'acquisition. Ceci devient encore plus di cile au niveau des systèmes, où les variables environnementales (température, tensions de polarisation optimales) viennent complexi er l'étalonnage de l'électronique de décodage [Kim et al., 2009], d'où l'intérêt d'éviter les transitions logiques-analogiques et/ou analogiques-numériques dès le départ.
3.2.2 Lecture en niveaux logiques
Les architectures logiques exploitent directement la nature binaire du signal issu des cel- lules PAMP, évitant la transformation logique-analogique-numérique. Les cellules PAMP y sont généralement polarisées par des circuits d'étouement hybrides ou pleinement ac- tifs avec l'option d'éteindre les cellules bruyantes. Les architectures intègrent directement les circuits d'acquisition, soit pour chaque cellule PAMP [Gersbach et al., 2012; Markovic et al., 2010; Walker et al., 2011] ou pour un sous-groupe de cellules [Braga et al., 2014; Carimatto et al., 2015; Frach et al., 2010]. Le détail de ces informations récoltées varie énormément selon les besoins de l'application, mais les informations les plus communes touchent le comptage de photons, la position des photons observés, leur temps d'arrivée exact ou encore le découpage de ces informations en trames.
En plus des informations détaillées, l'approche comporte plusieurs avantages, dont le haut niveau d'intégration. Hormis les sources d'alimentation, toute la chaîne analogique n'est plus requise. La sortie de ces détecteurs envoie l'information sous forme entièrement en- codée, par exemple avec un lien série de basse à moyenne vitesse [Frach et al., 2010]. Par conséquent, les concepteurs de circuits imprimés n'ont pas à gérer de traces à très haute bande passante analogique, simpli ant beaucoup les règles de conception. Dans le même ordre d'idée, ces mêmes signaux logiques sont beaucoup moins susceptibles au bruit électronique, et ceci simpli e une autre fois les contraintes de conception au niveau du système.
Par contre, pour intégrer tous les circuits requis par ce type d'architecture, il faut utiliser un procédé combinant un CMOS de bonne densité et des cellules PAMP performantes. Avec les technologies commerciales accessibles pour du prototypage, les comptes d'obscurité ainsi que les comptes secondaires sont assez élevés, et les concepteurs n'ont normalement pas la possibilité de modi er les étapes de fabrication pour l'in uencer, à l'exception
34 CHAPITRE 3. ARCHITECTURES DE MATRICES PAMP de techniques indirectes [Parent, 2016]. Autrement, il faut utiliser un procédé pour les applications d'imagerie [Gersbach et al., 2009] ou un procédé sur mesure [Ghioni et al., 2007; Gulinatti et al., 2005b], l'un et l'autre plus cher et/ou plus di cile d'accès. De plus, au même titre que la matrice hybride, cette intégration de circuits complexes vient au détriment de la surface sensible à la lumière. Dans les applications à moyenne intensité, telle que la capture d'images 3D, le processus reste très intéressant malgré une surface active de 3% [Walker et al., 2011], mais pas pour celles à très courte et faible luminosité comme la TEP (section4.2.1, prochain chapitre). Les matrices qui y sont dédiées cherchent plutôt un compromis en partageant l'électronique intelligente par sous-groupes de PAMP et obtiennent entre 42 et 57% de surface active sous le scintillateur [Braga et al., 2014; Carimatto et al., 2015; Frach et al., 2009].