Réponse en courant des détecteurs silicium aux particules chargées et aux ions lourds

Texte intégral

(1)Réponse en courant des détecteurs silicium aux particules chargées et aux ions lourds Hassen Hamrita. To cite this version: Hassen Hamrita. Réponse en courant des détecteurs silicium aux particules chargées et aux ions lourds. Physique Nucléaire Théorique [nucl-th]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2005. Français. �tel-00010145�. HAL Id: tel-00010145 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00010145 Submitted on 14 Sep 2005. HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of scientific research documents, whether they are published or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés..

(2) THE SE DE DOCTORAT DE L'UNIVERSITE PARIS 6 Specialite Physique presentee par. M. Hassen HAMRITA Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L'UNIVERSITE PARIS 6. Sujet de la these :. Reponse en courant des detecteurs silicium aux particules chargees et aux ions lourds. devant le jury compose de : M. M. M. Mme. M. M. M.. soutenue le 11 Juillet 2005. Murat BORATAV Bernard BORDERIE Roland DAYRAS Laurence LAVERGNE Marian PARLOG Elio ROSATO Bernard TAMAIN. Examinateur Directeur de these Rapporteur Invitee Examinateur Rapporteur Examinateur.

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(4) i. REMERCIEMENTS. C'est avec mon enthousiasme le plus vif et le plus sincere que je voudrai rendre merite a tous ceux qui, plus ou moins, a leur maniere, m'ont aide a mener a bien cette these. Je desire en premier lieu exprimer ma profonde gratitude a mon Directeur de these Monsieur Bernard Borderie, Directeur de recherches au CNRS, de m'avoir accueilli dans son groupe et d'avoir dirige ma these. Sa disponibilite, ses conseils, ses reexions ainsi que la grande independance qu'il a su m'accorder m'ont ete tres utiles tout au long de cette these. Je souhaite remercier Monsieur Roland Dayras, Ingenieur Chercheur au CEA Saclay (DAPNIA), et Monsieur Elio Rosato, Professeur a l'Universite de Naples, pour avoir accepte d'être Rapporteurs de ce memoire et faire partie du jury de these. Je tiens a remercier Monsieur Murat Boratav, Professeur a l'Universite Pierre et Marie Curie (Paris VI), de me faire l'honneur de s'interesser a ce travail et de faire partie du jury. Je remercie egalement Monsieur Bernard Tamain, Professeur a l'ENSI de Caen, pour l'interêt qu'il a bien voulu porter a ce travail et d'avoir accepte de faire partie du jury. Je remercie particulierement Monsieur Marian Parlog, Chercheur a GANIL, qui s'est investi entierement dans la partie simulation de cette these, pour les discussions et les debats scienti

(5) ques, ainsi que pour son amitie et son aide constante tout au long de cette these. J'aimerai remercier tres chaleureusement Madame Laurence Lavergne, Ingenieur de recherches au CNRS. Ses conseils, sa disponibilite ainsi que ses encouragements ont ete pour moi une source de motivation. Je dois aussi une grande reconnaissance a Madame Marie France Rivet, Directeur de recherche au CNRS et Monsieur Nicolas Le Neindre, Charge de recherches au CNRS, pour leur disponibilite ainsi que pour leur temps passe a interpreter les donnees experimentales et pour les discussions que nous avons pu avoir. Un remerciement special va a Monsieur Emmanuel Rauly, Ingenieur de recherches au CNRS, pour sa disponibilite, sa competence et son aide precieuse dans la partie electronique de ce travail..

(6) ii J'adresse mes remerciements a Messieurs. Xavier Grave, Jean Francois Clavelin et Gerard Lalu ainsi qu'au personnel du Tandem d'Orsay et au personnel du GANIL pour leur collaboration a la realisation des di erentes experiences. Je tiens a remercier aussi Monsieur Marin Chabot et Madame Karine Wohrer pour m'avoir donne la possibilite de participer aux experiences AGAT. Je ne manquerai de rappeler la constante sympathie que j'ai toujours trouvee aupres du personnel de l'Institut de Physique Nucleaire d'Orsay et specialement Messieurs Serge Barbey, Jean Le Bris, Christophe Oziol et Pierre Edelbruck ainsi que Mesdames Valerie Le Ven, Rollande Bzyl et Nicole Degouy qui ont entretenu une ambiance de travail tres agreable grâce a des relations quotidiennes tres amicales. Je voudrai aussi remercier specialement Eric Bonnet pour les moments d'amitie et de complicite que nous avons partages pendant ces trois annees. Je lui souhaite bonne chance pour la

(7) n de sa these et toute la suite. En

(8) n, je remercie du fond du cur mes parents qui m'ont soutenu et encourage durant toute ces annees et qui m'ont permis d'aller aussi loin dans mes etudes ainsi que ma femme Thouraya pour son aide precieuse et son amour et pour avoir repondu present quand j'en avais besoin, et de m'avoir remonte le moral dans les moments de doute..

(9) iii A mes parents et a Thouraya.

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(11) TABLE DES MATIE RES. 1. Table des matieres Introduction I Theorie et rappels : Principe de detection dans le silicium. I.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I.2 Rappel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I.2.1 Les semi-conducteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I.2.2 La jonction PN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I.2.2.1 D e nition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I.2.2.2 Courant electrique dans une jonction PN polaris ee en inverse I.3 Principe de la d etection dans les d etecteurs semi-conducteurs . . . . . . . . I.3.1 Le principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I.3.2 La r esistivit e dans les d etecteurs silicium . . . . . . . . . . . . . . . I.3.3 Caract eristiques des di erents types de d etecteurs . . . . . . . . . . I.3.3.1 Diode a barriere de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . I.3.3.2 Diode passiv ee et implant ee ou planar . . . . . . . . . . . I.3.4 Sch ema electrique equivalent du d etecteur . . . . . . . . . . . . . . I.4 Modele de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I.4.1 La m ethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I.4.2 Calcul du courant electrique cr e e par le mouvement d'un electron et d'un trou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I.4.2.1 Faisceau entrant par la face arriere . . . . . . . . . . . . . I.4.2.2 Faisceau entrant par la face avant . . . . . . . . . . . . . . I.4.3 R esultat du calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I.4.3.1 Calcul du courant cr e e par une particule . . . . . . . . . . I.4.3.2 E et de l' energie et donc du parcours de la particule incidente sur la forme du signal . . . . . . . . . . . . . . . . . I.4.3.3 E et de la tension de polarisation sur la forme du signal . I.4.3.4 E et de la r esistivit e du d etecteur sur la forme du signal . I.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. II Un nouveau type de preamplicateur. II.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II.2 Sp eci cations des pr eampli cateurs hybrides . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13 15. 15 15 15 16 16 16 18 18 18 20 20 20 21 22 25 26 26 27 28 28 31 32 32 34. 35. 35 35.

(12) 2. TABLE DES MATIE RES II.3 Les el ements de la simulation analogique . . . . . . . . . . II.4 Mesure de l'imp edance des d etecteurs . . . . . . . . . . . . II.4.1 M ethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II.4.2 R esultats des mesures . . . . . . . . . . . . . . . . II.4.2.1 Exemple : Cas du d etecteur AZ200 . . . . II.4.2.2 R esultats obtenus pour tous les d etecteurs II.5 Sortie courant des PACI : mesure des gains . . . . . . . . . II.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II.5.2 M ethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II.5.3 R esultats de la mesure sur un cas particulier . . . . II.5.3.1 Gains des PACI utilis es . . . . . . . . . . II.6 Calcul de la capacit e parasite des PACI . . . . . . . . . . . II.6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II.6.2 M ethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II.6.3 R esultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II.7 Calcul de la fonction de transfert des PACI . . . . . . . . . II.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36 36 36 38 38 40 40 40 40 41 42 43 43 43 45 45 50. IIISignaux de courant produits par les particules chargees et les ions lourds 51 III.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III.2 L'exp erience au TANDEM d'Orsay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III.2.2 Principe de fonctionnement de l'acc el erateur . . . . . . . . . . . . . III.2.3 Description du dispositif exp erimental . . . . . . . . . . . . . . . . III.2.4 Electronique et acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III.2.5 Les r esultats obtenus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III.2.5.1 Calibration en energie et calcul de la r esolution des d etecteurs III.2.5.2 E et de la tension de polarisation et du champ electrique sur la forme du signal de courant . . . . . . . . . . . . . . III.2.5.3 E et de la surface du d etecteur sur la forme du signal de courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III.2.5.4 E et de l' energie et du parcours de l'ion incident sur la forme du signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III.3 Identi cation des particules et des ions par leurs formes d'impulsions . . . III.3.1 Discrimination par comparaison d'amplitude et de la dur ee du signal III.3.2 Discrimination par comparaison des moments centr es d'ordre 2 et 3 III.3.2.1 Formules math ematiques et signi cations physiques . . . . III.3.2.2 Application de la m ethode de comparaison des moments centr es aux signaux de courant des particules charg ees l egeres III.3.2.3 Application de la m ethode de comparaison des moments centr es aux signaux de courant des isotopes de carbone . . III.4 L'exp erience LISE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III.4.1 L'acc el erateur GANIL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 51 51 51 51 53 55 57 58 61 63 64 65 66 70 70 71 72 73 73.

(13) TABLE DES MATIE RES. 3. III.4.2 III.4.3 III.4.4 III.4.5 III.4.6. Fonctionnement d'un cyclotron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Description de la ligne LISE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Description du dispositif exp erimental . . . . . . . . . . . . . . . . Electronique et acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Identi cation des ions par les m ethodes (TOF E ) et (E E ) . . III.4.6.1 Calibration en energie des di erents d etecteurs au silicium III.4.6.2 Identi cation des ions d etect es . . . . . . . . . . . . . . . III.4.6.3 Di erentes formes de signaux observ es . . . . . . . . . . . III.4.6.4 Identi cation en Z des ions par leurs formes de signaux de courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. IV Modelisation et simulation des signaux de courant. IV.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV.2 R esultats du modele de base pour les particules charg ees . . . . IV.2.1 Cas des protons et deutons de 3 MeV . . . . . . . . . . . IV.2.2 Cas des protons et deutons de 5 MeV . . . . . . . . . . . IV.2.3 Cas du deuton de 7 MeV . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV.3 Limitation du modele de base avec les ions lourds . . . . . . . . IV.4 Modeles existants pour les ions lourds . . . . . . . . . . . . . . . IV.4.1 Le modele de di usion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV.4.2 Le modele de Pausch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV.5 Une nouvelle approche : variation de la polarisation di electrique IV.5.1 Le formalisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV.5.2 L' equation de Poisson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV.5.3 Le r esultat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV.5.4 La polarisation di electrique et la di usion . . . . . . . . IV.6 Un nouveau modele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV.7 Evolution du parametre p de la simulation . . . . . . . . . . . . IV.8 Application du nouveau modele au deuton de 3 MeV . . . . . . IV.9 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Conclusion A Mesure des impedances des detecteurs B Circuit analogique complet des deux PACI C Recapitulatif des di erents ions detectes. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 74 76 78 80 83 83 86 91 91 98. 99. 99 99 100 100 101 102 103 103 105 107 108 109 110 111 112 118 120 121. 123 125 131 133.

(14) 4. TABLE DES MATIE RES.

(15) TABLE DES FIGURES. 5. Table des gures I.1 I.2 I.3 I.4 I.5 I.6 I.7 I.8 I.9 I.10 I.11 I.12 I.13 I.14 I.15 I.16 I.17 I.18 I.19. Repr esentation des bandes energ etiques dans une jonction PN . . . . . . . Jonction PN polaris ee en inverse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Variation de la r esistivit e dans un silicium standard et un silicium n-TD 13] Fabrication d'une diode a barriere de surface 14] . . . . . . . . . . . . . Fabrication d'une diode planar 14] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sch ema electrique equivalent du d etecteur associ e a un pr eampli cateur 14] La jonction PN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Variation des vitesses des porteurs de charge en fonction du champ electrique 15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D etecteur divis e en tranches le long du parcours de la particule . . . . . Con guration du champ electrique dans le cas ou le faisceau entre par la face arriere du d etecteur (champ faible) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Con guration du champ electrique dans le cas ou le faisceau entre par la face avant du d etecteur (champ fort) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (gauche) signaux induits par la collection d'une paire electron-trou cr e ee a la distance x0 = 60m et (droite) signal r esultant du mouvement des deux porteurs de charge (Faisceau entrant par la face arriere). . . . . . . . . . . (gauche) signaux induits par la collection de chaque porteur de charge cr e e a la distance x0 = 60m et (droite) signal r esultant du mouvement des deux porteurs de charge (faisceau entrant par la face avant). . . . . . . . . . . . Signal de courant issu d'un proton de 3 MeV (faisceau entrant par la face arriere) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Signal de courant issu d'un proton de 3 MeV (faisceau entrant par la face avant) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Signaux induits par la collection d'une paire electron-trou cr e ee a la distance x0 = 61m, x0 = 137m et x0 = 239m. (gauche) contribution de chaque porteur de charge et (droite) signal r esultant du mouvement des deux porteurs de charge (faisceau entrant par la face arriere). . . . . . . . . . . . E et de l' energie et du parcours de la particule sur la forme du signal de courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E et de la tension de polarisation sur la collection d'une paire electron-trou E et de la r esistivit e du d etecteur sur la collection d'une paire electron-trou. II.1 Sch ema simpli e du PACI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17 17 19 20 21 22 23 24 25 26 27 29 29 30 30 31 32 33 34 36.

(16) 6. TABLE DES FIGURES II.2 II.3 II.4 II.5 II.6 II.7 II.8 II.9 II.10 II.11 II.12. Circuit de mesure de l'imp edance du d etecteur . . . . . . . . . . . . . . . Imp edance equivalente du circuit de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . Courbe Ceq = f (U ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Imp edance de la bo^te de polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Circuit de mesure des gains des PACI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Forme de l'impulsion fournie par le g en erateur . . . . . . . . . . . . . . . Courbe Qout = f (Qin) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sch ema equivalent du PACI avec capacit e parasite . . . . . . . . . . . . . Les lieux de Bode du PACI destin e aux d etecteurs AZ200 et AZ200b . . . Les lieux de Bode du PACI destin e aux d etecteurs MU300 et MU500 . . . Signal d'entr ee pour la comparaison entre la FT et le circuit electronique simul e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II.13 Comparaison entre la FT et le circuit electronique simul e . . . . . . . . .. 37 37 39 39 41 41 42 44 46 47. III.1 III.2 III.3 III.4 III.5 III.6 III.7. 52 52 54 55 56 58. Photo du Tandem d'Orsay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sch ema du principe du fonctionnement de l'acc el erateur . . . . . . . . . . La ligne 320 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Le dispositif exp erimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L' electronique utilis ee pendant l'exp erience . . . . . . . . . . . . . . . . . Calibration en energie des d etecteurs MU300 et MU500 . . . . . . . . . . Calibration en energie des d etecteurs AZ200, AZ600 et AZ1700 associ es a leur PACI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III.8 Spectre en energie obtenu avec la cha^ne electronique seule . . . . . . . . III.9 Signaux moyens d'un proton de 5 MeV obtenus avec le d etecteur MU300 polaris e a 70 V et 90 V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III.10 Signaux moyens du 12C de 80 MeV obtenus avec le d etecteur AZ200 polaris e a 140 V et 190 V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III.11 Signaux moyens du 12C de 80 MeV obtenus par le d etecteur AZ200 polaris e a 190 V : face avant et face arriere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III.12 Signaux moyens du 12C de 80 MeV obtenus avec les d etecteurs AZ200, AZ600 et AZ1700 en face arriere et polaris es a 190 V . . . . . . . . . . . . III.13 Signaux moyens d'un deuton a 3, 5 et 7 MeV obtenus avec le d etecteur MU300 polaris e a 90 V (face arriere) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III.14 Variation de l'observable a chercher en fonction de l' energie et la nature de l'ion incident . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III.15 Superposition des signaux bruts issus du d etecteur AZ200 polaris e a 190 V et obtenus avec 12C et 13C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III.16 Histogramme d'amplitude des signaux du 12C et 13C obtenus avec le d etecteur AZ200 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III.17 Signaux moyens du 12C et 13C issus du d etecteur AZ200 . . . . . . . . . . III.18 Signaux moyens obtenus en injectant un proton et un deuton de 5 MeV dans le d etecteur MU300 par la face arriere et polaris e a 90 V . . . . . . . III.19 Signaux bruts issus du d etecteur AZ1700 et obtenus avec 12C et 13C . . .. 49 49. 59 60 61 62 63 64 65 66 66 67 67 68 69.

(17) TABLE DES FIGURES III.20 Histogramme d'amplitude des signaux du 12C et 13C obtenus avec le d etecteur AZ1700 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III.21 Signaux moyens du 12C et 13C issus du d etecteur AZ1700 . . . . . . . . . III.22 Signaux bruts issus du d etecteur MU300 et obtenus avec proton et deuton de 5MeV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III.23 Moments d'ordre 2 des signaux du proton et du deuton obtenus avec le d etecteur MU300 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III.24 Moments d'ordre 2 et 3 des signaux des isotopes de carbone obtenus avec le d etecteur AZ200 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III.25 Moments d'ordre 2 et 3 des signaux des isotopes de carbone obtenus avec le d etecteur AZ1700 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III.26 Architecture du GANIL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III.27 Principe de fonctionnement d'un cyclotron . . . . . . . . . . . . . . . . . III.28 Cyclotron a secteurs s epar es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III.29 Architecture de la ligne LISE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III.30 Dispositif de s election de noyaux dans LISE . . . . . . . . . . . . . . . . . III.31 Dispositif exp erimental de l'exp erience LISE . . . . . . . . . . . . . . . . III.32 Vue g en erale des d egradeurs et des d etecteurs E1 et E2 . . . . . . . . III.33 Vue g en erale de la chambre de d etection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III.34 Sch ema g en eral de l' electronique utilis ee pour l'exp erience LISE . . . . . . III.35 Calibration en energie du d etecteur E1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . III.36 Calibration en energie du d etecteur E2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . III.37 Calibration en energie du d etecteur AZ200 . . . . . . . . . . . . . . . . . III.38 Calibration en energie du d etecteur AZ200b . . . . . . . . . . . . . . . . . III.39 Calibration en energie du d etecteur AZ600b . . . . . . . . . . . . . . . . . III.40 Carte (TOF, E1 ) pour le d etecteur AZ200 . . . . . . . . . . . . . . . . . III.41 Carte (TOF, E1 ) pour le d etecteur AZ200b . . . . . . . . . . . . . . . . III.42 Carte (TOF, E1 ) pour le d etecteur AZ600b . . . . . . . . . . . . . . . . III.43 Carte de perte d' energie (E E2 ) pour le d etecteur AZ200 . . . . . . . . III.44 Carte de perte d' energie (E E2 ) pour le d etecteur AZ200b . . . . . . . III.45 Carte de perte d' energie (E E2 ) pour le d etecteur AZ600b . . . . . . . III.46 Probleme d' etats de charges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III.47 Identi cation des ions d etect es sur le d etecteur AZ200b . . . . . . . . . . III.48 Quelques signaux moyens obtenus lors de l'irradiation du d etecteur AZ200b III.49 S eparation des ions de Li, C et N par le moment d'ordre 2 . . . . . . . . . III.50 S eparation des ions de Z sup erieur a 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III.51 Moment d'ordre 1 en fonction de l' energie des ions d etect es . . . . . . . . III.52 Signaux de courant obtenus avec l'ion 36Cl a 317 MeV . . . . . . . . . . . III.53 Signaux de courant obtenus avec l'ion 58Fe a 618 MeV . . . . . . . . . . . III.54 Spectres d'amplitude et d'int egrale obtenus avec les signaux de courant de l'ion 36Cl a 317 MeV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III.55 Amplitude en fonction de l'int egrale (gauche) et int egrale en fonction de l' energie (droite) des signaux obtenus pour l'ion 36Cl a 317 MeV . . . . . .. 7 69 70 71 72 72 73 74 75 76 76 77 78 80 81 82 83 84 84 84 85 86 87 87 88 89 89 90 90 91 92 93 93 94 94 95 95.

(18) 8. TABLE DES FIGURES III.56 Signaux de courant obtenus avec l'ion 58Fe a 618 MeV avec le d etecteur AZ200b avec un collimateur de diametre 5 mm . . . . . . . . . . . . . . . . III.57 Signaux de courant obtenus avec l'ion 36Cl a 317 MeV et l'ion 58Fe a 618 MeV avec le d etecteur AZ600b (faisceau entrant par la face arriere) . . . . III.58 Signaux de courant obtenus avec l'ion 36Cl a 317 MeV et l'ion 58Fe a 618 MeV avec le d etecteur AZ200 (faisceau entrant par la face avant) . . . . . III.59 Variation de l' ecart-type du moment d'ordre 2 en fonction du num ero atomique Z pour des energies comprises entre 6 et 10 MeV/A . . . . . . . . . IV.1 Comparaison entre les donn ees exp erimentales et la simulation pour un proton (a gauche) et un deuton (a droite) de 3 MeV en utilisant le d etecteur Mu300 irradi e par la face arriere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV.2 Comparaison entre les donn ees exp erimentales et la simulation pour un proton (a gauche) et un deuton (a droite) de 5 MeV en utilisant le d etecteur Mu300 irradi e par la face arriere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV.3 Comparaison entre les donn ees exp erimentales et la simulation pour un deuton de 7 MeV en utilisant le d etecteur Mu300 irradi e par la face arriere IV.4 Comparaison entre les donn ees exp erimentales et la simulation avec le modele de base pour un 12C de 80 MeV et un 36Cl de 80 MeV en utilisant le d etecteur AZ200b irradi e par la face arriere . . . . . . . . . . . . . IV.5 Comparaison entre les donn ees exp erimentales et le modele de di usion pour un 12C de 80 MeV et un 36Cl de 317 MeV . . . . . . . . . . . . . . . IV.6 Comparaison entre les donn ees exp erimentales et le modele de Pausch pour un 12C de 80 MeV et un 36Cl de 317 MeV . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV.7 D etecteur silicium et trace de l'ion divis ee en tranches . . . . . . . . . . . IV.8 Comparaison entre les donn ees exp erimentales et le modele de la polarisation coupl e a la di usion pour un 12C de 80 MeV et un 36Cl de 317 MeV . IV.9 Comparaison entre les donn ees exp erimentales et la simulation pour un 8Li de 33 MeV en utilisant le d etecteur AZ200b irradi e par la face arriere (a gauche : avec le signal moyen et a droite : avec tous les signaux obtenus) IV.10 Comparaison entre les donn ees exp erimentales et la simulation pour un 12C de 80 MeV en utilisant le d etecteur AZ200b irradi e par la face arriere (a gauche : avec le signal moyen et a droite : avec tous les signaux obtenus) IV.11 Comparaison entre les donn ees exp erimentales et la simulation pour un 12C de 123 MeV en utilisant le d etecteur AZ200b irradi e par la face arriere (a gauche : avec le signal moyen et a droite : avec tous les signaux obtenus) . . IV.12 Comparaison entre les donn ees exp erimentales et la simulation pour un 31Si de 344 MeV en utilisant le d etecteur AZ200b irradi e par la face arriere (a gauche : avec le signal moyen et a droite : avec tous les signaux obtenus) IV.13 Comparaison entre les donn ees exp erimentales et la simulation pour un 33P de 305 MeV en utilisant le d etecteur AZ200b irradi e par la face arriere (a gauche : avec le signal moyen et a droite : avec tous les signaux obtenus) . .. 96 97 97 98 100 101 101 103 105 106 110 111 114 114 115 115 116.

(19) TABLE DES FIGURES IV.14 Comparaison entre les donn ees exp erimentales et la simulation pour un 34S de 376 MeV en utilisant le d etecteur AZ200b irradi e par la face arriere (a gauche : avec le signal moyen et a droite : avec tous les signaux obtenus) . . IV.15 Comparaison entre les donn ees exp erimentales et la simulation pour un 36Cl de 317 MeV en utilisant le d etecteur AZ200b irradi e par la face arriere (a gauche : avec le signal moyen et a droite : avec tous les signaux obtenus) IV.16 Comparaison entre les donn ees exp erimentales et la simulation pour un 37Ar de 388 MeV en utilisant le d etecteur AZ200b irradi e par la face arriere (a gauche : avec le signal moyen et a droite : avec tous les signaux obtenus) IV.17 Comparaison entre les donn ees exp erimentales et la simulation pour un 53Cr de 747 MeV en utilisant le d etecteur AZ200b irradi e par la face arriere (a gauche : avec le signal moyen et a droite : avec tous les signaux obtenus) IV.18 Variation du parametre p en fonction de la densit e d' energie lin eaire moyenne (E/R) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV.19 Evolution du champ electrique dans le temps a l'int erieur du d etecteur AZ200b lorsque ce dernier est irradi e par un 53Cr de 747 MeV . . . . . . . IV.20 Signaux de courant calcul es en utilisant le nouveau modele avec le deuton de 3 MeV inject e par la face arriere du d etecteur MU300 polaris e a 90 V . A.1 A.2 A.3 A.4. Circuit de mesure de l'imp edance du d etecteur . . . . . . . . . . . . . . . . Sch ema "petits signaux" simpli e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Repr esentation de Fresnel de l'imp edance totale . . . . . . . . . . . . . . . Variation de la capacit e equivalente en fonction de la tension de polarisation des d etecteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.1 Circuit du PACI faible dynamique (fort gain) . . . . . . . . . . . . . . . . B.2 Circuit du PACI forte dynamique (faible gain) . . . . . . . . . . . . . . . .. 9. 116 117 117 118 119 119 120 125 126 126 129 131 132.

(20) 10. TABLE DES FIGURES.

(21) LISTE DES TABLEAUX. 11. Liste des tableaux I.1 Valeurs de champ electrique pour les deux d etecteurs de r esistivit es di erentes et de tensions de polarisation identiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 II.1 Caract eristiques des di erents d etecteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II.2 Variation de la capacit e en fonction de la tension de polarisation . . . . . . II.3 Mesure de l'imp edance des di erents d etecteurs . . . . . . . . . . . . . . . II.4 Mesure du gain exp erimental du PACI faible dynamique . . . . . . . . . . II.5 Valeurs des gains des di erents PACI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II.6 Mesure de la capacit e parasite et celle du BUF600 pour les di erents PACI II.7 Les valeurs des pôles et des gains de deux types de PACI . . . . . . . . . . III.1 R esolution des di erents d etecteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III.2 Valeurs des param etres des droites de r egressions pour la calibration en energie des di erents d etecteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV.1 Valeurs des parametres pour le modele de di usion pour les ions de 12C de 80 MeV et 36Cl de 317 MeV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV.2 Valeurs moyennes de la densit e lin eaire d' energie, de concentration de porteurs, de distance relative et de champ d'interaction entre un electron et un trou pour un proton de 5 MeV et un ion 12C de 80 MeV . . . . . . . . . . IV.3 Valeurs des parametres pour le modele de la polarisation di electrique coupl ee a la di usion pour l'ion 12C de 80 MeV et l'ion 36Cl de 317 MeV . . . . . . IV.4 Correspondance entre les gures et les ions test es . . . . . . . . . . . . . . IV.5 Valeurs du parametre p du nouveau modele pour di erents ions a di erentes energies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.1 Variation de la capacit e en fonction de la tension de polarisation . . . . . .. 38 38 40 42 43 45 48 60 85 105 107 111 113 113 128. C.1 Parametres d'identi cation des di erents ions d etect es ayant 3 Z 18 . 133 C.2 Parametres d'identi cation des di erents ions d etect es ayant 23 Z 28 . 134.

(22) 12. LISTE DES TABLEAUX.

(23) INTRODUCTION. 13. Introduction La d etection de rayonnements fait toujours l'objet de nombreuses recherches. Les besoins de la physique nucl eaire ont conduit a chercher des d etecteurs permettant de couvrir un tres grand angle solide avec une r esolution en energie la meilleure possible. Les d etecteurs a semi-conducteur permettent de couvrir ces besoins. La recherche s'est particulierement focalis ee sur le silicium, pour ce qui concerne les particules charg ees et les ions lourds. Les futures exp eriences sous faisceau radioactif font na^tre un besoin encore plus marqu e au niveau de l'identi cation isotopique des diverses particules et fragments produits. La caract erisation complete, en charge, en masse et en energie, de ces particules devient indispensable. Actuellement deux m ethodes sont utilis ees. La m ethode (E, E) : elle consiste a utiliser un emplilement de deux d etecteurs formant un t elescope et a mesurer la perte d' energie dans le premier (E) et l' energie r esiduelle (E) dans le deuxieme elle permet, a partir d'un certain seuil si E E, de discriminer en num ero atomique Z et en masse atomique A (A 20-30) si le d etecteur E est su samment homogene en epaisseur. La m ethode (E, TOF) : dans ce cas un seul d etecteur silicium est utilis e pour mesurer l' energie E de la particule incidente dans le d etecteur ainsi que le temps de vol de la particule (TOF : Time Of Flight) qui correspond au temps mis par la particule pour arriver au d etecteur cette m ethode permet de conna^tre la masse atomique de la particule, son energie et sa vitesse mais pas son num ero atomique. Elle n ecessite de grandes distances entre le d etecteur et la cible et un grand nombre de d etecteurs pour couvrir l'espace, ce qui augmente singulierement le coût de l'exp erience. La m ethode d'identi cation en A et Z par reconnaissance de forme des signaux issus d'un seul d etecteur silicium appara^t comme une voie possible a explorer. Cette m ethode, propos ee il y a plus de quarante ans 1], a et e, il y a une dizaine d'ann ees, etudi ee en d etail, en relation avec la conception d'un d etecteur silicium 4 (RoSiB) 2, 3, 4, 5, 6, 7]. L'exp erience utilisait des pr eampli cateurs de charge et les particules ou les ions etaient inject es par la face arriere des d etecteurs totalement d epl et es, la ou le champ electrique est le plus faible. En e et ce type d'injection, propos e pour la premiere fois dans la r ef erence 1], pr esente deux avantages : la densit e d'ionisation est maximale dans la r egion de champ le plus fort et les signaux de courant g en er es, alors monotones en dur ee, doivent fournir l'identi cation 8]. Cette m ethode d'analyse e ectu ee en utilisant la sortie.

(24) 14. INTRODUCTION. charge du pr eampli cateur a donn e des r esultats encourageants. Cependant elle pr esente quelques limites li ees entre autre au temps de mont ee du pr eampli cateur 9]. L'id ee de concevoir un pr eampli cateur de charge et de courant 10, 11] a n d'exploiter les forme des signaux de courant induits par le mouvement des charges cr e ees dans les d etecteurs silicium tout en conservant l'information en charge ( energie) appara^t alors s eduisante. Ce travail de these est consacr e a l'obtention, pour la premiere fois, d'une base de donn ees de signaux de courant induits par les particules charg ees et les ions lourds ainsi qu'a une mod elisation de ces signaux. Il se situe dans le cadre du programme de recherche et d eveloppement franco-italien AZ4 dont l'un des objectifs est d' etablir un proc ed e d'identi cation d'ions lourds par reconnaissance de forme de signaux issus de d etecteurs silicium. Notons que des signaux de courant ont et e r ecemment employ es dans des exp eriences de fragmentations d'agr egats de carbone. La forme des signaux a permis de discriminer les di erents fragments emis 12]. Dans ce travail, nous commencerons par rappeler les propri et es des d etecteurs silicium. Dans le même chapitre, nous pr esenterons egalement un calcul simple permettant d'acc eder a la formation du signal de courant et de comprendre l'e et des di erents parametres du d etecteur et de l'ion incident sur ce signal. Dans le chapitre II, nous pr esenterons les deux prototypes de pr eampli cateurs de charge et de courant, d evelopp es a l'IPN d'Orsay, qui o rent a ce jour le meilleur re!et possible de signal de courant obtenu lors de l'interaction des particules ou des ions avec le d etecteur, et ce dans une gamme d' energie etendue. Nous les avons mod elis es et caract eris es au mieux a n de les utiliser pour simuler les signaux de courant. Le chapitre III sera consacr e a l'analyse de la base de donn ees obtenue a l'issue de deux exp eriences faites au TANDEM d'Orsay et aupres du GANIL. Nous pr esenterons pour chacune d'elles son dispositif exp erimental, les m ethodes d'analyse utilis ees pour obtenir les signaux de courant ainsi que les premieres tentatives de discrimination en A et Z. En n, dans le dernier chapitre, nous allons utiliser le calcul simple d evelopp e au premier chapitre pour simuler les signaux de courant obtenus avec des particules charg ees. Nous montrerons les limites de ce calcul dans le cas des ions lourds ainsi que la d efaillance des modeles existants pour reproduire delement les signaux de courant. Ce constat nous a conduit a d evelopper un modele, novateur dans le domaine, et plus satisfaisant quand nous comparons les donn ees exp erimentales et les signaux simul es. Nous terminerons en evaluant les di erents parametres de ce modele..

(25) Th eorie et rappels : Principe de d etection dans le silicium. 15. Chapitre I Theorie et rappels : Principe de detection dans le silicium I.1 Introduction Ce travail de these est essentiellement fond e sur les d etecteurs silicium utilis es en physique nucl eaire. Avant toute chose, nous commencerons par rappeler les propri et es des semi-conducteurs ainsi que le principe de la d etection dans les d etecteurs silicium. Ensuite, nous expliquerons comment se forme un signal dans ce type de d etecteur lors d'une interaction avec une particule charg ee. Nous exposerons alors un modele simple qui tiendra compte de l'ionisation sur toute la trace de la particule dans le silicium.. I.2 Rappel I.2.1 Les semi-conducteurs Les semi-conducteurs sont des solides dont la structure est p eriodique et le r eseau cristallin. Au z ero absolu, leur bande de conduction vide n'est s epar ee de la bande de valence pleine que par un intervalle relativement faible (de l'ordre de 1 eV) : une excitation thermique su t aux electrons pour atteindre la bande de conduction, cr eant ainsi des trous dans la bande de valence. La conductibilit e peut être augment ee par le dopage, introduction d'atomes etrangers au r eseau. Ces atomes sont de deux sortes. Les donneurs ont un electron de valence de plus que les atomes du cristal celui-ci, faiblement li e, peut facilement se trouver dans la bande de conduction. Les accepteurs ont un electron de valence en moins et en captent un dans la bande de valence, ce qui cr ee un trou dans cette bande. Dans le premier cas on a un semi-conducteur de type N, dans le second cas un semi-conducteur de type P..

(26) 16. Th eorie et rappels : Principe de d etection dans le silicium. I.2.2 La jonction PN I.2.2.1 Denition Si l'on dope une partie d'un cristal de silicium avec du phosphore (type N) et l'autre partie avec du bore (type P), l'interface entre les deux parties de conductivit es di erentes s'appelle une jonction P-N. La pr esence a l'interface d' electrons en grand nombre dans la bande de conduction de la partie N, et de trous en grand nombre dans la bande de valence de la partie P, fait qu'aux abords de la jonction ces concentrations vont avoir tendance a s' equilibrer. Un champ electrique s' etablit qui s'oppose au mouvement des charges. Une zone d epeupl ee de porteurs libres appara^t, constitu ee de part et d'autre d'une zone de charge d'espace positive du cot e N et n egative du cot e P. La repr esentation des bandes energ etiques eclaire la situation. La gure I.1 repr esente le diagramme des bandes d' energie du silicium. Le niveau EC repr esente le bas de la bande de conduction, le niveau EV le haut de la bande de valence et le niveau EF l' energie de Fermi. Quand on met en contact le silicium de type P avec le silicium de type N, les niveaux de Fermi s'alignent dans les deux parties pour être constant a travers tout le semi-conducteur, et les niveaux EC et EV se courbent pour être continus a travers la jonction. La r egion ou les niveaux EC et EV ne sont pas horizontaux correspond a la r egion de charge d'espace. La di erence entre les deux zones de concentration en accepteurs, NA , et en donneurs ionis es, ND , fait appara^tre une barriere de potentiel VB .. I.2.2.2 Courant electrique dans une jonction PN polarisee en inverse Quand la jonction est polaris ee en inverse, c'est-a-dire quand on applique une tension V positive du côt e N alors que le côt e P est n egatif (masse), elle s'ajoute a VB et la barriere de potentiel devient infranchissable pour les porteurs majoritaires, seuls les porteurs minoritaires peuvent di user. La gure I.2 montre qu'a l'instant ou le circuit est ferm e, une partie des electrons se libere de la zone N du cristal et se dirige vers le pôle positif de l'alimentation. Un certain nombre de porteurs minoritaires r eussit toujours a traverser la jonction, provoquant ainsi un remplacement partiel des electrons libres dans la zone N et des trous dans la zone P. On constate donc la pr esence d'un courant tres faible, circulant de l'extr emit e N a l'extr emit e P du cristal. Ce courant est appel e courant inverse (Ii). Ce mode de fonctionnement, en inverse, est celui adopt e pour le fonctionnement d'un d etecteur silicium..

(27) I.2 Rappel. Fig.. 17. I.1 { Representation des bandes energetiques dans une jonction PN. Fig.. I.2 { Jonction PN polarisee en inverse.

(28) 18. Th eorie et rappels : Principe de d etection dans le silicium. I.3 Principe de la detection dans les detecteurs semiconducteurs I.3.1 Le principe. Les d etecteurs a semi-conducteurs fonctionnent en principe comme une chambre d'ionisation solide, c'est-a-dire que les porteurs de charges positifs et n egatifs sont cr e es dans les d etecteurs par ionisation du mat eriau. Ces porteurs de charges migrent vers les electrodes sous l'action du champ electrique r egnant entre ces electrodes et cr eent une impulsion de courant dont l'amplitude est proportionnelle au nombre de porteurs de charges lib er es et ainsi a l' energie. La di erence par rapport a la chambre d'ionisation se trouve dans le fait que : Le d etecteur est un solide et de ce fait les port ees des particules charg ees sont plus petites pour une même energie, les interactions avec les atomes etant nombreuses. Les porteurs de charges ne se composent pas d' electrons et d'ions comme dans la chambre d'ionisation a gaz, mais d' electrons et de trous de masse tres proches. Les avantages sont les suivants : L' energie n ecessaire a la lib eration d'un electron dans le d etecteur gazeux s' eleve a environ 30 eV et elle est seulement de 3.6 eV pour une paire electron-trou. Les temps de collection des porteurs de charges sont courtes a cause des faibles dimensions du d etecteur, ce qui entra^ne la formation d'impulsions rapides. Cependant, la zone utile a la d etection reste la zone de d epl etion de la jonction PN, d esert ee de porteurs libres qui pourraient se recombiner avec les porteurs cr e es par l'ionisation. L'accroissement du volume utile du d etecteur est obtenu par l' elargissement de la zone de d epl etion ce qui amene a polariser la jonction avec une tension inverse plus importante, tout en restant inf erieure cependant a la tension de claquage. A n de diminuer les zones ou les charges ne sont pas collect ees, consid er ees comme zones mortes, il est n ecessaire que la zone de d epl etion s' etende sur toute l' epaisseur du d etecteur.. I.3.2 La resistivite dans les detecteurs silicium. La r esistivit e d'un d etecteur repr esente la quantit e de dopage dans le d etecteur. En e et la valeur de la r esistivit e d'un d etecteur de type N peut être calcul ee par la formule suivante : 1 = (I.1) avec : la r esistivit e en #:cm.. q N D e.

(29) I.3 Principe de la d etection dans les d etecteurs semi-conducteurs. 19. ND la densit e de dopage en cm;3. q la charge d'un electron en Coulomb. e la mobilit e de l' electron dans le silicium en cm2=V:s. Dans les deux exp eriences que nous avons men ees et que nous pr esenterons par la suite, nous avons utilis e deux familles de d etecteurs silicium : celle que nous appelons famille des silicium standard dans laquelle le silicium est dop e par des proc ed es physico-chimiques et la famille n-TD (Neutron Transmutation Doping) dans laquelle le silicium standard est a nouveau dop e par transmutation nucl eaire dans un r eacteur. Le dopage par transmutation par neutron est bas ee sur la r eaction de capture suivante : ;. 31 n+ 30Si! 31Si ! P. Ainsi cette r eaction de capture favorise une production homogene, dans le silicium, de phosphore qui est un dopant de type N. On obtient ainsi une distribution plus homogene de la r esistivit e du d etecteur. La gure I.3 donne les variations de la r esistivit e dans les deux types de silicium. Nous remarquons que cette variation diminue consid erablement dans le cas ou le silicium est de type n-TD. En e et elle est de 15% dans le cas d'un silicium standard et de 3% dans le silicium n-TD. Ce dopage suppl ementaire diminue bien evidemment la r esistivit e du silicium, ce qui est favorable pour produire un champ electrique elev e n ecessaire pour la d etection des ions lourds qui ont un fort pouvoir ionisant (voir equation ( I.12)). Cependant elle diminue le seuil de claquage du d etecteur. Il faut donc trouver un compromis entre tension de d epl etion et tension de claquage.. Fig.. I.3 { Variation de la resistivite dans un silicium standard et un silicium n-TD 13].

(30) 20. Th eorie et rappels : Principe de d etection dans le silicium. I.3.3 Caracteristiques des dierents types de detecteurs. Dans les exp eriences que nous avons men ees, nous avons utilis e des d etecteurs provenant de deux technologies di erentes : les d etecteurs a barriere de surface et les d etecteurs passiv es et implant es ou planar 14], l' etude des signaux se faisant uniquement sur ces derniers.. I.3.3.1 Diode a

(31) barri

(32) ere de surface Cette technologie, utilis ee a l'IPN, dans le groupe D etecteurs, permet de r ealiser une jonction PN par evaporation m etallique. Le d etecteur est r ealis e a partir d'un substrat de silicium de type N. Puis on d epose, par evaporation sous vide, une ne couche ( 40nm) d'or sur une face qui conduit a la formation d'une jonction PN a cet endroit. En n on termine par une evaporation d'aluminium sur l'autre face pour former une electrode avec un bon contact ohmique ( gure I.4). Les d etecteurs, nomm es E1 et E2 dans le troisieme chapitre, sont de ce type.. Fig.. I.4 { Fabrication d'une diode a barri ere de surface 14]. I.3.3.2 Diode passivee et implantee ou planar Cette technologie, qui d ecoule des process de micro electronique, est largement utilis ee actuellement. Elle est produite essentiellement par l'industrie. La surface du silicium de type N est passiv ee par un d epôt de SiO2. Une implantation de Bore forme la zone P et une.

(33) I.3 Principe de la d etection dans les d etecteurs semi-conducteurs. 21. implantation d'Arsenic du côt e oppos e forme la zone N. Les proc ed es de photolithogravure permettent d'obtenir des structures tres nes (voir gure I.5).. Fig.. I.5 { Fabrication d'une diode planar 14]. I.3.4 Schema electrique equivalent du detecteur. Lorsqu'une particule cede son energie au d etecteur, celui-ci agissant comme une source de courant, d elivre l'impulsion id (t). La charge correspondante, Qd , est convertie en une impulsion de tension d'amplitude VS au moyen d'un pr eampli cateur de charge. Le sch ema electrique du d etecteur associ e a un pr eampli cateur de charge est donn e par la gure I.6. On a ainsi : d (I.2) VS = Q Cr La charge Qd peut être exprim ee en fonction d'une part de l' energie E c ed ee par la particule au d etecteur et d'autre part de l' energie n ecessaire a la formation d'une paire.

(34) 22. Th eorie et rappels : Principe de d etection dans le silicium. Fig.. I.6 { Schema electrique equivalent du detecteur associe a un preampli cateur 14]. electron-trou (3.6 eV pour le Si a 300K). ) e(e = 1:6 10;19C ) Qd = 3E:6((eV eV ). (I.3). Vs = 3:6 E C e. (I.4). D'ou :. r. Les pr eampli cateurs d evelopp es pour ce travail (PACI) sont dot es d'une sortie courant, homogene a une tension, qui est une image dele du courant id (t) induit dans le d etecteur. C'est cette sortie que nous allons utiliser pour l' etude des formes de signaux et pour l'identi cation des ions.. I.4 Mod ele de base Pour calculer le signal de courant, issu d'un d etecteur silicium, lors de l'irradiation de ce dernier par des particules ou des ions, il faut :. Conna^tre la distribution des electrons et des trous cr e es dans le d etecteur par la perte d' energie de l'ion le long de son parcours dans le silicium.. Evaluer la loi de mouvement des electrons et des trous dans le champ electrique. r egnant dans la zone d epl et ee du d etecteur, en tenant compte de ses caract eristiques..

(35) I.4 Modele de base. 23. Le champ electrique F dans un d etecteur silicium est donn e par F = ;r, avec le potentiel electrique a l'int erieur du d etecteur. Ce potentiel est calcul e en r esolvant l' equation de Poisson suivante : r2 + = 0 (I.5). est la densit e de charge d'espaces, est la constante di electrique du silicium : = 11:7 8:85 10;12F=m. Dans un modele mono-dimensionnel (voir gure I.7) et dans le cas ou le d etecteur est de type N la densit e de charge d'espace est donn ee par : (x) = ;qNA , pour xn < x < xp NA etant la densit e d'accepteurs dans la zone P, (x) = qND , pour 0 < x < xn ND etant la densit e de donneurs dans la zone N,. Fig.. I.7 { La jonction PN. La solution de l' equation ( I.5) est alors donn ee par :. n(x) = ; qN2D (x ; xn)2 + VB , pour 0 x xn p(x) = qN2A (x ; xp)2, pour xn x xp Ce qui conduit a :. Fn(x) = qND (x ; xn), pour 0 x xn Fp(x) = ;qN A (x ; xp), pour xn x xp La largeur de la zone d esert ee de porteurs libres ou zone d epl et ee est donn ee par: X = qN2D xn VB = qN2Axp VB . Dans le cas ou le d etecteur est de type N, l' epaisseur de la partie P de la jonction est n egligeable (zone implant ee) de maniere a consid erer que d xn. Dans notre cas, pour.

(36) 24. Th eorie et rappels : Principe de d etection dans le silicium. collecter toutes les charges cr e ees par une particule ionisante, notre d etecteur fonctionne en surd epl etion c'est a dire que la tension V appliqu ee a la jonction est sup erieure a la tension de d epl etion totale Vd et par cons equent nous avons X = d et : D d2 Vd (V ) = qN 2. Fmax = V +d Vd Fmin = V ;d Vd :. (I.6) (I.7) (I.8). Fmax et Fmin sont les valeurs du champ maximale et minimale respectivement.. Les lois de mouvement des electrons et des trous peuvent être calcul ees a partir des mobilit es ; et + qui sont fonctions du champ electrique : v = F . La gure I.8 donne la variation de la vitesse de l' electron et du trou en fonction du champ electrique 15, 16], notamment pour le silicium.. Fig.. 15]. I.8 { Variation des vitesses des porteurs de charge en fonction du champ electrique. On peut consid erer que les mobilit es des electrons et des trous dans le silicium sont constantes pour les valeurs de champ electrique inf erieures a 4000 V/cm ce qui est le cas dans la suite de notre travail. Dans ce travail nous avons calcul e les valeurs des mobilit es en fonction du champ electrique F en utilisant la formule empirique suivante 17] :.

(37) I.4 Modele de base. 25. (x) =. 0 0 F (x) m m 1 + ( vs ) ] 1 0;=1350 cm2=V:s. (I.9). 0+=480 cm2=V:s pour le trou et pour l' electron. m = 1 pour le trou et m = 2 pour l' electron. vs = 1:05 107cm=s pour la vitesse de saturation de l' electron et vs = 107 cm/s pour celle du trou.. I.4.1 La methode. La m ethode consiste a diviser le parcours de l'ion dans le d etecteur en N tranches d'abscisse xj (j=1...N) (Figure I.9). Dans chaque tranche on calcule le nombre de paires electron-trou cr e ees en fonction de la perte d' energie Ej dans cette tranche. Ce nombre j (eV ) est donn e par : Nj = E 3:6(eV ) .. Fig.. I.9 { Detecteur divise en tranches le long du parcours de la particule. La perte d' energie Ej est fournie par le logiciel SRIM 18] qui est bas e sur les tables de Ziegler et Biersack (particules) ou par le code INDRALOSS (ions lourds) qui, tous les deux, permettent, en liaison avec la formule de Bethe, d' evaluer la perte d' energie d'une particule dans un mat eriau en MeV/(mg/cm2) :. ;dE = 4e4N0 z2 Z B Ou. dx. m0 v 2. A. B = Ln( 2mI0v2 ) ; Ln(1 ; vc22 ) ; vc22 ]. v et z vitesse et charge de la particule incidente, A et Z masse atomique et num ero atomique du milieu ralentisseur,. (I.10).

(38) 26. Th eorie et rappels : Principe de d etection dans le silicium. . m0 et e masse et charge de l' electron, I le potentiel moyen d'ionisation et d'excitation du milieu ralentisseur, c la vitesse de la lumiere, N0 le nombre d'Avogadro.. Dans le cas pr esent, le milieu ralentisseur est le silicium (Z=14).. I.4.2 Calcul du courant electrique cree par le mouvement d'un electron et d'un trou. Supposons qu'une paire electron-trou soit cr e ee a un endroit donn e du d etecteur. Sous l'action du champ electrique ces charges vont migrer vers leurs electrodes respectives et leur mouvement va introduire dans le circuit ext erieur un courant I. Ce r esultat est connu sous le nom de th eoreme de Ramo 19]. Dans tout le calcul suivant, on suppose que le d etecteur est surd epl et e (V > Vd ).. I.4.2.1 Faisceau entrant par la face arri

(39) ere Dans ce cas, nous sommes dans la con guration du champ electrique montr ee sur la. gure I.10.. I.10 { Con guration du champ electrique dans le cas o u le faisceau entre par la face arri ere du detecteur (champ faible). Fig.. Le trou est collect e par l' electrode côt e jonction, et l' electron par l' electrode oppos ee. Le champ electrique est donn e par l' equation suivante : avec :. F (x) = Fcrit d x + Fmin Fcrit = d ;. Fcrit est le champ qui correspond a la d epl etion totale.. (I.11) (I.12).

(40) I.4 Modele de base. 27. Les vitesses de l' electron et du trou sont donn ees par les equations ( I.13) et ( I.14) respectivement. v; = dx = ;;(x) Fcrit x ; ; (x) Fmin (I.13). dt d Fcrit x + (x) F v+ = dx = ( x ) + + min dt d. (I.14). Les courants issus des mouvements de chaque porteur de charge, electron et trou, sont donn es, d'apres 15] par les equations ( I.15) et ( I.16) respectivement.. i; (t) = ;q vd; i+(t) = q vd+. (I.15) (I.16). Nous avons int egr e num eriquement les equations ( I.13) et ( I.14) pour calculer les courants issus de chaque porteur de charge. Le courant g en er e par le mouvement des deux porteurs de charge est la somme de ces deux courants.. I.4.2.2 Faisceau entrant par la face avant Dans ce cas, la face par laquelle entre le faisceau est telle que le champ est maximal en entr ee. On est alors dans la con guration donn ee par la gure I.11.. I.11 { Con guration du champ electrique dans le cas o u le faisceau entre par la face avant du detecteur (champ fort). Fig.. Le champ electrique est maintenant egal a :. F (x) = ;Fdcrit x + Fmax. (I.17). Par analogie avec le calcul pr ec edent, les vitesses des deux porteurs de charges, dans cette con guration, sont donn ees par les equations ( I.18) et ( I.19) pour l' electron et le trou respectivement. = ; (x) Fcrit x + ; (x) Fmax v; = dx dt d. (I.18).

(41) 28. Th eorie et rappels : Principe de d etection dans le silicium. F = ;+(x) crit x ; +(x) Fmax v+ = dx dt d De la même fa&con on calcule i+ et i; ( I.15) et ( I.16).. (I.19). I.4.3 Resultat du calcul. Dans cette partie nous allons consid erer un d etecteur silicium qui a les caract eristiques suivantes :. Epaisseur : d=300 m R esistivit e : =12700 #:cm Tension de polarisation : V =90 V. Les caract eristiques de champ sont les suivantes :. Fcrit = 1682 V/cm Fmin = 1492 V/cm Fmax = 3174 V/cm Consid erons une paire electron-trou cr e ee a la distance x0 de la face arriere du d etecteur. Les gures I.12 et I.13 donnent les signaux induits par la collection d'une paire electrontrou cr e ee a la distance x0=60 m, qui correspond au parcours d'un deuton de 3 MeV, entr e par la face arriere et la face avant respectivement. D'apres ces courbes on constate que la dur ee du signal issu du d etecteur est domin ee par le mouvement du trou dans le cas ou le faisceau entre par la face arriere, et par le mouvement de l' electron dans le cas ou le faisceau entre par la face avant.. I.4.3.1 Calcul du courant cree par une particule Supposons que le d etecteur, cit e pr ec edemment, soit irradi e par un proton de 3 MeV (parcours R=91 m). Nous calculons le signal de courant produit en consid erant toutes les contributions de chaque porteur de charge cr e e dans chaque tranche tout au long de la trace de la particule dans le d etecteur. Le r esultat obtenu est donn e par la gure I.14 lorsque nous supposons que la particule a p en etr e par la face arriere et par la gure I.15 lorsque la particule est entr ee par la face avant..

(42) I.4 Modele de base. 29. −5. 1.8. −5. x 10. 2.5. x 10. Electron. 1.6. 2. 1.4 1.2. i (µA). i (µA). 1.5 1 Trou 0.8 1 0.6 0.4. 0.5. 0.2 0 0. 2. 4. 6. 8. 10. 12. 14. 16. 0 0. 18. 2. 4. 6. 8. t (ns). 10. 12. 14. 16. 18. t (ns). I.12 { (gauche) signaux induits par la collection d'une paire electron-trou creee a la distance x0 = 60m et (droite) signal resultant du mouvement des deux porteurs de charge (Faisceau entrant par la face arri ere).. Fig.. −5. 3. x 10. 3.5. x 10. −5. 3. 2.5. 2.5. Electron. 2. i (µA). i (µA). 2. 1.5. 1.5. Trou. 1. 1. 0.5. 0 0. 0.5. 1. 2. 3. 4 t (ns). 5. 6. 7. 0 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. t (ns). I.13 { (gauche) signaux induits par la collection de chaque porteur de charge cree a la distance x0 = 60m et (droite) signal resultant du mouvement des deux porteurs de charge (faisceau entrant par la face avant).. Fig..

(43) 30. Th eorie et rappels : Principe de d etection dans le silicium 25. 20. I (µA). 15. 10. 5. 0 0. 5. 10. 15. t (ns). 20. 25. I.14 { Signal de courant issu d'un proton de 3 MeV (faisceau entrant par la face arri ere). Fig.. 30. 25. I (µA). 20. 15. 10. 5. 0 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. t (ns). I.15 { Signal de courant issu d'un proton de 3 MeV (faisceau entrant par la face avant). Fig..

(44) I.4 Modele de base. 31. D'apres ces formes de signaux on remarque l'e et du champ electrique sur les formes et sur le temps de collection des charges. En e et plus le champ est fort (face avant) plus le temps de collection est faible, car dans ce cas la vitesse des porteurs est grande. De même l'amplitude du signal augmente, puisque, dans les deux cas, l'int egrale de la courbe est la même car le nombre de porteurs cr e es dans le mat eriau reste inchang e. En outre, en face arriere, on distingue nettement la contribution des electrons qui ont au maximum 91 m a parcourir alors que les trous, trois fois plus lents, doivent pratiquement parcourir une grande partie de l' epaisseur du d etecteur (300 m).. I.4.3.2 E et de l'energie et donc du parcours de la particule incidente sur la forme du signal Supposons que le d etecteur dont les caract eristiques sont cit ees au d ebut de ce paragraphe soit irradi e par un deuton a trois energies di erentes : 3, 5 et 7 MeV. Les parcours correspondants dans le silicium sont : 61 m, 137 m et 239 m respectivement. Sachant que la particule perd le maximum de son energie a la n de son parcours, nous allons consid erer trois paires electron-trou cr e ees aux abscisses x0 egales a ces trois valeurs de parcours. Les contributions de courant issues de ces trois paires sont pr esent ees sur la. gure I.16. −5. 3. x 10. 3.5. x 10. −5. X0=61µm. X0=61µm 3. 2.5. X0=137µm Electrons. X0=137µm X0=239µm. X0=239µm 2.5. 2 Trous i (µA). i (µA). 2 1.5. 1.5 1 1. 0.5. 0 0. 0.5. 2. 4. 6. 8. 10 t (ns). 12. 14. 16. 18. 0 0. 2. 4. 6. 8. 10. 12. 14. 16. 18. t (ns). I.16 { Signaux induits par la collection d'une paire electron-trou creee a la distance x0 = 61m, x0 = 137m et x0 = 239m. (gauche) contribution de chaque porteur de charge et (droite) signal resultant du mouvement des deux porteurs de charge (faisceau entrant par la face arri ere).. Fig.. Nous remarquons que les trois paires donnent trois formes de courant di erentes. En e et plus la paire est cr e ee loin de la face arriere plus le temps de collection du trou diminue et celui de l' electron augmente. Dans le cas ou x0=239 m le temps de collection de l' electron est sup erieur a celui du trou malgr e la mobilit e de l' electron trois fois plus.

(45) 32. Th eorie et rappels : Principe de d etection dans le silicium. grande que celle du trou. Consid erons maintenant l'ensemble de la trace cr e ee par l'ionisation du deuton dans le silicium aux trois energies pr ec edentes. Nous constatons que le temps total de collection des charges est le même ind ependamment de l' energie 3, 5 ou 7 MeV, soit 21 ns ( gure I.17). En fait, le temps de collection total est donn e par les premiers trous, ceux qui ont et e cr e es au tout d ebut du parcours. Ils ont pratiquement tout le d etecteur a traverser et g enerent la contribution la plus longue du signal. 60 Deuton 3 MeV Deuton 5 MeV 50. Deuton 7 MeV. I (µA). 40. 30. 20. 10. 0 0. 5. 10. t (ns). 15. 20. 25. I.17 { Eet de l'energie et du parcours de la particule sur la forme du signal de courant Fig.. I.4.3.3 E et de la tension de polarisation sur la forme du signal. Si nous prenons une paire electron-trou cr e ee a une distance x0=60 m de la face arriere d'un d etecteur qui a la même r esistivit e et la même epaisseur que le d etecteur consid er e et que nous supposons qu'il est polaris e une fois a 70 V (Fmax =2469 V/cm) et une autre fois a 90 V (Fmax =3174 V/cm), nous remarquons que le temps total de la collection d'une paire est de 21 ns dans le cas ou la tension est de 70 V alors qu'il est inf erieur (16 ns) dans le cas d'une tension de 90 V (voir gure I.18). Ainsi plus le champ est elev e, plus la collection est rapide.. I.4.3.4 E et de la resistivite du detecteur sur la forme du signal Prenons maintenant deux d etecteurs dont les r esistivit es sont respectivement 12700 #:cm (silicium standard) et 2500 #:cm (silicium n-TD). Nous allons supposer que ces deux d etecteurs ont la même epaisseur de 300 m et, pour les besoins de calcul, qu'ils sont polaris es avec la même tension de polarisation de 190 V. Les champs electriques sont assez di erents. En e et, d'apres les relations ( I.7), ( I.8) et ( I.12), nous avons les valeurs donn ees par le tableau I.1..

(46) I.4 Modele de base. 33. −5. 2.5. x 10. 70V 90V. 2. i (µA). 1.5. 1. 0.5. 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. t (ns) Fig.. I.18 { Eet de la tension de polarisation sur la collection d'une paire electron-trou. R esistivit e (#:cm) 2500 12700 Fcrit (V/cm) 8544 1682 Fmin (V/cm) 2061 5492 Fmax (V/cm) 10605 7174 Tab. I.1 { Valeurs de champ electrique pour les deux detecteurs de resistivites dierentes et de tensions de polarisation identiques.

(47) 34. Th eorie et rappels : Principe de d etection dans le silicium. Les r esultats de calcul des signaux de courant issus d'une paire electron-trou, cr e ee a une distance de 60 m des faces arrieres de ces deux d etecteurs, sont pr esent es sur la gure I.19. Nous remarquons tres bien l'e et de la r esistivit e sur la forme du signal de courant. Malgr e un temps total de collection pratiquement identique pour les deux d etecteurs (8 ns) les formes des deux signaux sont totalement di erentes. −5. 6. x 10. 5. rho=2500 Ohm.cm rho=12700 Ohm.cm. i (µA). 4. 3. 2. 1. 0 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. t (ns) Fig.. I.19 { Eet de la resistivite du detecteur sur la collection d'une paire electron-trou. I.5 Conclusion Il appara^t clairement que les parametres tels que parcours de la particule ou de l'ion d etect es, r esistivit e et tension de polarisation et donc champ electrique dans le d etecteur auront un e et primordial sur les temps de collection ainsi que sur les formes des signaux de courant issus des d etecteurs silicium..

(48) Un nouveau type de pr eampli cateur. 35. Chapitre II Un nouveau type de preamplicateur II.1 Introduction A n de pouvoir comparer les r esultats exp erimentaux avec les impulsions simul ees issues des d etecteurs, il est n ecessaire de caract eriser aussi parfaitement que possible l'ensemble pr eampli cateur et d etecteur, de fa&con a obtenir une mod elisation a introduire dans la simulation. Dans ce but, il faut mesurer l'imp edance des d etecteurs et les gains en courant des pr eampli cateurs.. II.2 Speci cations des preampli cateurs hybrides Un nouveau concept de pr eampli cateur hybride comportant deux voies de sortie a et e d evelopp e. En plus d'une sortie charge sp eci que aux pr eampli cateurs de charge classiques, il est muni d'une sortie courant dont le signal, homogene a une tension, est une dele repr esentation du signal de courant issu du d etecteur 20]. Il existe actuellement deux versions de pr eampli cateurs, destin es aux deux types d'exp eriences que nous d ecrirons par la suite, avec les sp eci cations suivantes :. Version 1 : appel ee "PACI faible dynamique" destin e principalement a la d etection des particules charg ees l egeres.. { Gamme d' energie : 0-120 MeV. { Gain en sortie charge ( 1 M #) Gc = 12 mV/MeV. { Gain en sortie courant( 50 #) GI = 590 V/A.. Version 2 : appel ee "PACI forte dynamique" destin e principalement a la d etection des ions lourds.. { Gamme d' energie : 0-2.5 GeV..

(49) 36. Un nouveau type de pr eampli cateur { Gain en sortie charge ( 1 M #) Gc = 1.4 mV/MeV. { Gain en sortie courant( 50 #) GI = 140 V/A.. II.3 Les elements de la simulation analogique La simulation de type "SPICE" 21] du PACI prend en compte essentiellement trois etages ( gure II.1 ) :. l' etage d'entr ee constitu e de l'imp edance Zdet mod elisant le d etecteur a utiliser, l' etage d'ampli cation en charge le gain en charge Gc est proportionnel a C1f , avec Vout Iin. et Cf la capacit e de contre-r eaction. Le BUF 600 sert a l'adaptation d'imp edance.. Gc =. l' etage avec la sortie courant dont l'ampli cation est le gain en courantGI . Le fonctionnement des di erents PACI est d etaill e dans la r ef erence 11].. Fig.. II.1 { Schema simpli e du PACI. II.4 Mesure de l'impedance des detecteurs II.4.1 Methode. Pour mesurer l'imp edance des di erents d etecteurs, nous avons utilis e un imp edance metre. Le circuit de mesure est donn e par la gure II.2 et les d etails de la mesure se trouvent en annexe A..

(50) II.4 Mesure de l'imp edance des d etecteurs. Fig.. 37. II.2 { Circuit de mesure de l'impedance du detecteur. Les mesures ont et e faites pour di erentes fr equences 1, 10, 30, 70 MHz ], et pour di erentes tensions de polarisation des d etecteurs ( HT ). Le sch ema equivalent de l'imp edance mesur ee est donn e par la gure II.3,. Fig.. II.3 { Impedance equivalente du circuit de mesure. Dans ces conditions, nous avons :. Z : Imp edance totale du circuit, Rd : R esistance s erie d'acces au d etecteur, Ld, LBP : Inductance d'acces au d etecteur et de la bo^te de polarisation Leq = Ld +. LBP , Cd, CBP : Capacit e du d etecteur et de la bo^te de polarisation Ceq = Cd + CBP , Cs : Capacit e s erie (capacit e d'isolement entre l'imp edance metre et la haute tension) mesur ee et egale a 20 nF.. Dans cette con guration, il est ais e de calculer Rd, Leq , et Ceq a partir des equations suivantes (voir annexe A) :. Rd = jZ j cos . (II.1).

(51) 38. Un nouveau type de pr eampli cateur. Leq ! ; C 1 ! = jZ j sin + C 1 ! eq s avec ! = 2 f , f etant la fr equence de mesure et l'argument de Z.. (II.2). II.4.2 Resultats des mesures. Tous les d etecteurs disponibles pour les exp eriences ont et e mesur es leurs caract eristiques sont regroup ees dans le tableau II.1. D etecteur AZ200 AZ600 AZ1700 AZ200b AZ600b AZ1700b MU300 MU500. Type du silicium Surface ( mm2 ) Epaisseur ( m ) nTD 200 300 nTD 600 300 nTD 1700 300 nTD 200 ( Bo^tier ) 300 nTD 600 (Bo^tier ) 300 nTD 1700 ( Bo^tier ) 300 Standard 64 300 Standard 64 500 Tab. II.1 { Caract eristiques des dierents detecteurs. R esistivit e (#:cm) 2500 2500 2500 2500 2500 2500 12700 12800. II.4.2.1 Exemple : Cas du detecteur AZ200 Mesure de Rd, Leq et Ceq Nous avons proc ed e a la mesure de Rd , Leq et Ceq . Le tableau ci-dessous donne la variation de la capacit e calcul ee en fonction de la tension de polarisation. U (V) Ceq (pF) 50 103 100 75 140 73 170 73 Tab. II.2 { Variation de la capacit e en fonction de la tension de polarisation La courbe Ceq = f (U ) est donn ee par la gure II.4. La tension de d epl etion est obtenue lorsque la capacit e devient stable. Dans ce cas nous l'avons evalu ee a 120 V, ce qui est en accord avec la valeur donn ee par le fabricant. { Leq = 47 nH,.

(52) II.4 Mesure de l'imp edance des d etecteurs. 39. { Ceq = 73 pF, { Rd = 4#,. Fig.. II.4 { Courbe Ceq = f (U ). Mesure de CBP et LBP Nous avons mont e le circuit de la gure II.2 sans mettre le d etecteur ni l'alimentation et nous avons mesur e comme pr ec edemment jZ j et pour di erentes valeurs de fr equences. Nous supposons que le modele de la bo^te de polarisation est comme indiqu e sur la gure II.5.. Fig.. II.5 { Impedance de la bo^te de polarisation. Nous avons : (II.3) LBP ! ; C 1 ! = jZ j sin BP Nous obtenons LBP = 27nH CBP = 10pF . D'apres les valeurs de Leq , Ceq , LBP , et CBP nous d eduisons les valeurs de Ld et de Cd . Cd = Ceq ; CBP = 73 ; 10 = 63pF . Ld = Leq ; LBP = 47 ; 27 = 20nH . La valeur calcul ee de Ld tient compte des inductances des connecteurs SMA et BNC. pr esents sur les d etecteurs et le circuit de mesure. Sachant que l'inductance d'une piste d'un circuit imprim e est de 10 nH/cm, nous estimons la valeur de l'inductance due aux.

(53) 40. Un nouveau type de pr eampli cateur. connecteurs a 17 nH. La valeur Ld du d etecteur seul est donc de 3nH. Notons que ces deux valeurs ( 3 nH et 20 nH ) n'ont pas d'in!uence en simulation sur la sortie courant qui nous int eresse. De plus l'inductance d epend de la con guration exp erimentale.. II.4.2.2 Resultats obtenus pour tous les detecteurs Tous les r esultats de mesure concernant les di erents d etecteurs sont pr esent es dans le tableau II.3. Dans ce tableau, nous remarquons que le d etecteur AZ600 a une r esistance de 16#. Cette di erence par rapport aux autres d etecteurs est due a la r esistance de contact cr e ee par les connexions de type bonding. Ce d etecteur, apres r eparation par le constructeur, a retrouv e une valeur de 4#. L'int erêt des mesures d'imp edance est donc de mettre en evidence d' eventuels d efauts de constructions des d etecteurs. D etecteur Cd (pF ) Rd (#) Ld (nH) AZ200 63 4 3 AZ600 232 16 3 AZ1700 625 5 3 AZ200b 61 3 3 AZ600b 215 3 3 AZ1700b 646 2 3 MU300 16 2 3 MU500 12 2 3 Tab. II.3 { Mesure de l'imp edance des dierents detecteurs. II.5 Sortie courant des PACI : mesure des gains II.5.1 Introduction. A n de bien caract eriser le PACI en simulation et pouvoir ainsi correctement comparer les signaux de courant mesur es a ceux calcul es, il fallait mesurer le gain en sortie courant des di erents PACI.. II.5.2 Methode. Pour cette mesure, nous utilisons le circuit de la gure II.6. Un g en erateur d'impulsion d elivre un signal Vin. Cinj est la capacit e d'injection qui vaut 18 pF pour les PACI d edi es aux d etecteurs MUX00 et 30 pF pour ceux d edi es aux d etecteurs AZXX00. Pour le calcul de gain, nous mesurons l'int egrale du signal de sortie courant VIout en utilisant un codeur qui divise cette valeur de l'int egrale par de charge dont la r esolution est de 0.25pC/canal, R 1 sa r esistance interne RQDC : Qout = RQDC VIout dt. Nous tra&cons la droite Qout en fonction de Qin = Vin Cinj . L'estimation du gain est donn ee par la pente de la droite..

(54) II.5 Sortie courant des PACI : mesure des gains. Fig.. 41. II.6 { Circuit de mesure des gains des PACI. A n d' eviter tout empilement au niveau de la sortie charge du PACI, nous tenons compte de la p eriode de l'impulsion d elivr ee par le g en erateur. Pour toutes les mesures la p eriode a et e choisie a 10 ms, ce qui nous garantit l'absence d'empilements. La forme de l'impulsion utilis ee est donn ee par la gure II.7.. Fig.. II.7 { Forme de l'impulsion fournie par le generateur. tm et td sont les temps de mont ee et de descente de l'impulsion. tm correspondrait sur un signal physique au temps de collection des charges.. II.5.3 Resultats de la mesure sur un cas particulier. PACI faible dynamique, Cinj = 18 pF. D etecteur MU300. Temps de mont ee de l'impulsion d'entr ee d elivr ee par le g en erateur tm = 40ns.. Dans le tableau II.4, nous pr esentons les r esultats de mesures faites dans ce cas particulier.. Vin (Volt) est l'amplitude de l'impulsion, Qin (pC) la quantit e de charge d'entr ee : Qin = Vin18 pF, Qout (canal) la valeur de l'int egrale du signal de courant,.

(55) 42. Un nouveau type de pr eampli cateur. Vin (Volt) Qin (pC) Qout (Canal) Qout (pC). 0.01 0.18 41.81 10.45 0.012 0.21 42.83 10.70 0.014 0.25 43.94 10.98 0.016 0.28 45 11.25 0.018 0.32 46.14 11.53 0.02 0.36 47.37 11.84 0.025 0.45 50.24 12.56 0.03 0.54 53.4 13.35 0.06 1.08 73.64 18.41 0.08 1.44 87.6 21.9 0.1 1.8 101.82 25.45 0.2 3.6 176.01 44 Tab. II.4 { Mesure du gain exp erimental du PACI faible dynamique. Qout (pC) la valeur de l'int egrale du signal de courant.. En tra&cant la courbe Qout en fonction de Qin ( gure II.8 ), nous calculons la pente de la droite interpol ee qui est la valeur du gain en courant de ce PACI. Soit Gexp cette valeur de gain, nous avons alors Gexp = 9:78.. Fig.. II.8 { Courbe Qout = f (Qin). II.5.3.1 Gains des PACI utilises Le tableau II.5 r ecapitule les valeurs de gains des di erents PACI, obtenues exp erimentalement pour quelques valeurs de temps de mont ee de l'impulsion, repr esentatives des temps de collections attendus. Pour obtenir le gain en V/A, il su t de multiplier la valeur de gain en pC/pC par la valeur de la r esistance (51#) en sortie courant. Nous remarquons que le gain des di erents PACI d epend faiblement du temps de mont ee de l'impulsion..

(56) II.6 Calcul de la capacit e parasite des PACI. 43. Temps de mont ee(ns) PACI destin e au d etecteur Gain(pC/pC) 100 AZ200 et AZ200b 2.94 AZ600 et AZ600b 2.71 AZ1700 et AZ1700b 2.65 40 MU300 9.77 MU500 9.66 10 AZ200 et AZ200b 3.46 AZ600 et AZ600b 3.14 AZ1700 et AZ1700b 2.97 MU300 10.34 MU500 10.93 5 MU300 11.35 MU500 11.03 Tab. II.5 { Valeurs des gains des di erents PACI. II.6 Calcul de la capacite parasite des PACI II.6.1 Introduction. Dans le modele du pr eampli cateur, il faut en particulier tenir compte des connexions qui se traduisent par l'introduction d'une capacit e parasite, qui vient modi er la valeur du gain a la sortie courant. Pour cela nous allons calculer les valeurs de la capacit e parasite correspondant a chaque PACI.. II.6.2 Methode. Le sch ema simpli e du pr eampli cateur est donn e par la gure II.9. Le sch ema r eel etant donn e en annexe C. Cb est la capacit e du BUF600 ( voir gure II.1 ), CP a est la capacit e parasite, Cf est la capacit e de contre-r eaction, Dans un sch ema id eal, le courant I0 doit être egal au courant inject e Ii. En faisant la mesure, il s'avere que I0 est sup erieur au courant que nous avons inject e. Nous avons alors : I0 = Ii + Ic, or : Ic = ;(Cb + Cpa) dVdt0 et dVdt0 = ; CIif , donc, (II.4) I = I (1 + Cb + CP a ) 0. i. Cf.

(57) 44. Un nouveau type de pr eampli cateur. Fig.. II.9 { Schema equivalent du PACI avec capacite parasite. En premier lieu, nous allons calculer la capacit e du BUF 600 par la simulation. Pour cela nous allons calculer les gains en sortie courant du PACI ( II0i avec et sans le BUF600. A partir de l' equation ( II.4), nous avons :. Gsimab = Gsimsb (1 + CCb ) f. Gexp = Gsimsb (1 + CC ) f. (II.5) (II.6). Gsimsb est le gain obtenu par simulation sans le BUF600, Gsimab est le gain obtenu par simulation avec le BUF600, Gexp est le gain obtenu exp erimentalement. L' equation ( II.5) nous donne :. Cb = Cf (1 + GsimabG ; Gsimsb ). (II.7). Cb + Cpa = Cf (1 + GexpG; Gsimsb ). (II.8). L' equation ( II.6) nous donne :. simsb. simsb.