Développement et caractérisation d'un ASIC de lecture de macro-cellule de photo-détecteurs de grande dimension

• Main Author: Conforti Di Lorenzo, S.
• Language: ENG
• Published: Université Paris Sud - Paris XI 2010
• Subjects: [SPI:NANO] Engineering Sciences/Micro and nanotechnologies/Microelectronics; [PHYS:HEXP] Physics/High Energy Physics - Experiment; PMm2; PARISROC; ASIC; Photo-détection
• Online Access: http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00537300; http://tel.archives-ouvertes.fr/docs/00/53/73/00/PDF/Tesi_Selma_CONFORTI.pdf

PMm² est un projet financé pour 3 ans (2007-2010) par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR) dont le titre exact est “Electronique innovante pour photo-détecteurs distribués en physique des particules et astroparticule”. Le projet regroupe les partenaires suivants: le LAL, l'IPN Orsay, le LAPP et une collaboration avec l'Université libre de Bruxelles (ULB). La couverture de très grandes surfaces de photo-détection est un élément essentiel des dispositifs expérimentaux dévolus aux études des gerbes atmosphériques de grande énergie, des neutrinos de différentes sources (soleil, atmosphérique, supernova, réacteurs, accélérateurs). La prochaine génération d'expériences, comme l'après Super-Kamiokande ou tous les détecteurs Cerenkov à eau de très grande taille, ne pourront plus baser leur construction seulement sur un simple agrandissement des expériences existantes, pour améliorer les performances de détection. Ils doivent concentrer leurs efforts de R&D sur la réduction de la complexité. L'objectif de ce projet est donc une “recherche amont” en vue de facilité la réalisation de grands détecteurs utilisant des milliers de photomultiplicateurs (PMTs). Le projet PMm² propose de segmenter les grandes surfaces de photo-détection en “macro modules” de 16 PMTs de 12-inch (2x2 m²), connectés à une électronique innovante autonome qui fonctionne en déclenchement automatique et est installée proche des PMTs. Ce développement est rendu possible par les progrès de la microélectronique qui permettent d'intégrer la lecture et le traitement des signaux de tous ces photomultiplicateurs à l'intérieur d'un même circuit intégré (ASIC) baptisé PARISROC (Photomultiplier ARray Integrated in SiGe Read Out Chip) et seules les données numérisées sont ensuite transmises par réseau vers le système de stockage des données en surface. Le circuit PARISROC, réalisé en technologie AMS SiGe 0.35 μm, contient 16 voies totalement indépendantes correspondant aux 16 PMTs de chaque module. Chacune de ces voies permet la lecture de la charge du signal reçu ainsi que du temps associé. La voie pour la mesure de charge est réalisée par un préamplificateur de tension et un “shaper” lent (200 ns) qui permet de mettre en forme le signal. Le signal obtenu est ensuite stocké dans une mémoire analogique, avant d'être converti en signaux numériques grâce à un convertisseur analogique numérique (ADC). La voie pour la mesure de temps est, quant à elle, réalisée à partir du même préamplificateur suivi d'un “shaper” rapide (15ns) et d'un discriminateur. Grâce à un système de TDC (Time to Digital Converter) qui permet de convertir l'amplitude en temps, la mesure de temps est stockée dans une mémoire analogique, en parallèle de la charge, avant d'être convertie en signaux numériques. Une des innovations de PARISROC, est la partie numérique compilée, incluse dans l'ASIC pour gérer les compteurs, l'échantillonnage des signaux, leur conversion ainsi que la transmission des données. Le premier prototype du circuit PARISROC a une surface totale de 19 mm2. Il a été envoyé en fabrication en juin 2008 chez Austrian Micro-System (AMS) par l'intermédiaire du centre de multi-projet CMP (à Grenoble), puis livré au laboratoire en décembre 2008. Les mesures effectuées sur l'ASIC ont conduit à la réalisation d'un second prototype. Des améliorations notables ont été apportées, en termes de bruit, de dynamique, de vitesse de lecture du circuit (augmentation des horloges de 10 MHz à 40 MHz), de mesure de temps (améliorations de la TDC), de mesure de charge (améliorations du “shaper” lent). Envoyé en fabrication en novembre 2009 et reçu au laboratoire en février 2010, ce nouveau prototype PARISROC 2 a été testé en laboratoire et l'analyse a montré un comportement répondant aux besoins du projet et la réalisation des modifications apportées.