Amélioration de la résolution énergétique dans les capteurs CMOS à rayons X

Les Capteurs CMOS scientifiques deviennent de plus en plus populaires pour observer des événements astronomiques grâce à leurs avantages par rapport aux dispositifs à couplage de charge (CCDs) traditionnels. Ils peuvent lire les données plus vite, gérer plus de radiations et fonctionner à des températures plus élevées. Dans cet article, on va discuter de nos découvertes sur un capteur CMOS scientifique spécifique, conçu pour capturer des images en Rayons X.

#Détails du capteur

On a étudié le capteur GSENSE 1516 BSI, qui a un grand nombre de Pixels, chacun mesurant une petite taille. Ce capteur nous permet de mesurer la performance de chaque pixel individuellement. Pour ça, on a choisi trois zones spécifiques sur le capteur pour nos tests. On a collecté une grosse quantité de données au fil du temps-plus de 25 000 événements de rayons X par pixel-pour évaluer leur bruit, gain, et résolution d'énergie.

En faisant nos tests, on a découvert que la résolution d'énergie pour la plupart des pixels était d'environ 140 électrons volts (eV) à un niveau d'énergie spécifique de 6,4 keV. Cette résolution s'est améliorée avec moins de bruit de lecture. On a aussi mesuré le gain de chaque pixel, qui a montré une petite variation d'environ 0,56 % entre les pixels.

#Approche de correction de gain

Pour améliorer l'exactitude de nos mesures, on a corrigé le gain de chaque pixel individuellement. Contrairement aux méthodes traditionnelles qui utilisent une valeur de gain unique pour tous les pixels, notre approche ajuste le gain en fonction des caractéristiques spécifiques de chaque pixel. En faisant ça, on a réussi à réduire l'impact négatif des variations de gain sur la résolution d'énergie.

Après avoir appliqué cette correction de gain pixel par pixel, on a réussi à améliorer la résolution d'énergie à environ 124,6 eV à 4,5 keV et 140,7 eV à 6,4 keV. Ces améliorations sont significatives et montrent que cette méthode peut optimiser la performance des capteurs CMOS scientifiques.

#Importance de la résolution d'énergie

La résolution d'énergie est un facteur critique dans les détecteurs de rayons X car elle détermine comment bien le capteur peut différencier entre différentes énergies de rayons X. Cette capacité est essentielle pour des applications comme les observations astronomiques, où comprendre la composition et le comportement des objets célestes est clé. Les capteurs avec une meilleure résolution d'énergie peuvent fournir des données plus claires et précises, enrichissant notre connaissance de l'univers.

#Contexte historique

Ces dernières années, les CCDs ont été le choix privilégié pour les applications de rayons X en astronomie. Cependant, les avancées dans la technologie CMOS scientifique ont montré des résultats prometteurs, les rendant une alternative viable pour de futures missions spatiales comme Einstein Probe et THESEUS. Ces missions à venir nécessitent des détecteurs capables de capturer des rayons X doux et d'atteindre une bonne résolution d'énergie.

#Limites théoriques

Chaque type de capteur a des limites sur ses performances. Pour les capteurs à base de silicium, y compris les CMOS, il existe une limite théorique connue sous le nom de limite de Fano, qui suggère que la résolution d'énergie devrait être d'environ 124 eV à 6,4 keV et température ambiante. Les CCDs traditionnels ont performé près de cette limite, mais la plupart des capteurs CMOS n'ont pas atteint ce niveau de résolution.

#Notre parcours de recherche

Notre laboratoire travaille à comprendre la performance des capteurs CMOS scientifiques depuis 2015. On a collaboré avec une entreprise pour développer le capteur GSENSE 1516 BSI, conçu avec des caractéristiques spécifiques pour améliorer la performance. Ce capteur mesure environ 6 cm par 6 cm, a une grande matrice de pixels, et une épaisse couche pleinement déplétée. Son design permet d'atteindre un taux de 20 images par seconde.

Bien que le bruit de lecture du capteur soit faible, il affecte toujours la résolution d'énergie, notamment parce que chaque pixel a son propre amplificateur unique. Cela entraîne des différences de gain de conversion sur le capteur. On s'est dit que si on pouvait corriger ces Gains pour chaque pixel, on pourrait améliorer la résolution d'énergie.

#Configuration expérimentale

Pour nos expériences, on a mis en place un tube à rayons X pour émettre des rayons X vers le capteur. Le capteur capture les rayons X après leur interaction avec un matériau cible. Sur un total d'environ 220 heures, on a collecté des données du capteur tout en le maintenant à température ambiante. Ça veut dire qu'on n'avait pas besoin de refroidissement supplémentaire, simplifiant notre processus expérimental.

On s'est concentré sur des zones spécifiques du capteur en le recouvrant d'une plaque avec des trous pour exposer seulement certains pixels à la source de rayons X. Cet agencement soigné nous a aidé à mesurer comment les pixels se comportent dans des petites zones et sur des plus grandes surfaces.

#Collecte et analyse des données

Pour notre analyse, on a enregistré des images sombres (images sans exposition aux rayons X) dans différentes conditions pour mesurer les niveaux de bruit. On a calculé le bruit pour chaque pixel et trouvé la moyenne pour représenter le bruit général du cadre. De même, on a évalué le courant d'obscurité, qui désigne la quantité de courant présente même sans exposition aux rayons X.

#Performance des pixels

Avec les données collectées, on a créé une base de données complète des caractéristiques de chaque pixel. Cela incluait le gain, les résolutions d'énergie, et les niveaux de bruit pour chaque pixel. Notamment, on a trouvé que le gain moyen des pixels testés était d'environ 6,60 eV/DN, avec des variations. Les différences de gain peuvent contribuer à des variations de la résolution d'énergie, que l'on a cherché à corriger.

#Mise en œuvre de la correction de gain

En utilisant notre base de données complète des pixels, on a appliqué la correction de gain pixel par pixel. Ce processus impliquait d’utiliser le gain spécifique pour chaque pixel afin de convertir les données capturées en mesures d'énergie. Les résultats ont montré une amélioration claire de la résolution d'énergie après cette correction.

#Conclusion et travaux futurs

En conclusion, notre étude démontre que réaliser une correction de gain au niveau des pixels peut considérablement améliorer la résolution d'énergie dans les capteurs CMOS scientifiques. En atteignant des résolutions proches des limites théoriques, on montre que les capteurs CMOS scientifiques peuvent être très efficaces pour les observations astronomiques en rayons X. Dans de futures études, on prévoit d'explorer la performance sur tous types d'événements, pas seulement des événements à pixel unique, pour améliorer et valider nos découvertes.

Les avancées dans la technologie CMOS ouvrent de nouvelles voies pour une meilleure collecte de données en astronomie X. Avec la méthode que l'on a développée, on espère contribuer à des observations plus précises du cosmos, aidant les scientifiques à percer les mystères de l'univers.