Conception d’un circuit de lecture d’une matrice de photodiodes à avalanche monophotonique pour les détecteurs de physique des particules dans les gaz nobles liquéfiés
Les détecteurs aux gaz nobles liquéfiés prennent une plus grande part dans les expériences
de physique des particules. Le photomultiplicateur en silicium (SiPM ) devient le photodé-
tecteur d’excellence pour détecter la lumière de scintillation dans les liquides cryogéniques.
Pour répondre aux questions de la physique moderne, des expériences comme le next En-
riched Xenon Observatory (nEXO) étudient les neutrinos en tentant d’observer la double
désintégration bêta sans neutrinos. D’autres collaborations focalisent leurs travaux sur la
matière noire en examinant diverses signatures dans l’argon. La réalisation de ces détec-
teurs présente plusieurs défis de conception. Par exemple, la radioactivité des matériaux
utilisés doit être contrôlée pour limiter les scintillations parasites. De plus, leur grande sur-
face requiert une électronique d’instrumentation in situ. Mais, l’utilisation des SiPM et de
leur circuit de lecture dans les liquides nobles limite la puissance permise pour en éviter
l’ébullition. Malgré leurs atouts, ces SiPM nécessitent, pour fonctionner, une chaîne de
lecture composée d’un préamplificateur suivi de filtrage et d’un convertisseur analogique-
numérique. Ces circuits peuvent s’avérer énergivores et plusieurs compromis en diminuent,
par exemple, les performances temporelles ou le rapport signal sur bruit.
En tirant avantage de la nature binaire des photodiodes à avalanche monophotoniques
(SPAD) qui composent les SiPM, ces travaux présentent un nouveau circuit numérique
de lecture d’une matrice de SPAD à faible consommation. Il est dédié à instrumenter des
expériences de physique des particules à grande surface dans les gaz nobles liquéfiés. Un
nouveau procédé de SPAD, actuellement en développement, sera collé sur cette électro-
nique grâce à un assemblage vertical en trois dimensions (3D).
La puce interface 4096 SPAD répartis dans une superficie de 25 mm 2 . La surface totale de
la puce mesure 31 mm 2 , ce qui résulte en un facteur de remplissage de plus de 80 %. Des
SPAD intégrés en deux dimensions à même le circuit intégré permettent de le tester sans
attendre le développement des SPAD sur mesure et de l’assemblage en trois dimensions.
Trois sorties fournissent des informations complémentaires. D’abord, une sortie d’inter-
ruption (flag) avec une résolution temporelle inférieure à 90 ps RMS indique la présence
de photons. Puis, une somme numérique donne la quantité détectée. Elle peut opérer jus-
qu’à 100 MHz. Enfin, une somme analogique en courant vient valider les deux premières
sorties. Cette puce asynchrone peut fonctionner avec une horloge intermittente. Dans le
contexte de l’expérience nEXO, en tenant compte du taux d’événements, sa consommation
de puissance moyenne atteint 140 μW.
Suite aux étapes de caractérisation, la première révision de ce photodétecteur novateur
répond aux différentes exigences. De légères imperfections persistent, mais une prochaine
révision permettra de facilement corriger ces dernières. Ce convertisseur photon-numérique
proposera donc une alternative prometteuse aux SiPM analogiques
