Brevet FR2769099A1 — publié le 19990402

DISPOSITIF DE MESURE DU TEMPS DE MONTEE DE SIGNAUX PARASITES PAR DES BRUITS, PROVENANT DE DETECTEURS DE RAYONNEMENTS y OU X DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne un dispositif de mesure du temps de montée de signaux, parasités par des bruits, issus de détecteurs à semi-conducteur utilisés pour des rayonnements y ou des rayonnements X. L'invention trouve des applications dans le domaine de la spectrométrie en photon unique à savoir, la spectrométrie de rayonnements y ou de rayonnements X lorsque le flux de rayonnements X est suffisamment faible pour permettre une détection de photon unique. En particulier, le dispositif de l'invention peut être intégré au sein du dispositif de correction de mesures spectrométriques décrit dans la demande de brevet français numéro FR-A-2 738 919. Etat de la technique De nombreux types de détecteurs destinés à la détection de rayonnements y ou de rayonnements X de faible flux sont connus de l'homme de l'art. En particulier, les détecteurs à base de semi-conducteurs (CdTe ou CdZn Te) sont bien connus de l'homme de l'art. Bien que ces détecteurs soient surtout adaptés à la détection des photons y, ils permettent également la détection de rayonnements X, dans le cas o les rayonnements X sont de faible flux. Aussi, dans la suite de la description, seul le cas des rayonnements y sera décrit, étant entendu qu'il peut aussi s'agir de rayonnement X de faible flux. Les détecteurs à semi-conducteurs CdTe ou CdZnTe ont l'avantage de réaliser directement la conversion en énergie du rayonnement y dans la matière semi-conductrice, sans passer par des étapes intermédiaires, comme l'émission de photons visibles dans le cas des scintillateurs. On s'affranchit ainsi des problèmes de couplage synonymes de perte de rendement. L'énergie nécessaire pour créer une paire électron-trou dans un semi-conducteur est beaucoup plus faible que dans un gaz ou dans un scintillateur (environ 4eV dans les semi- conducteurs, contre 30eV dans les gaz, et 300eV dans les systèmes scintillateur photomultiplicateur). En conséquence, le nombre de charges libres créées par photon détecté est plus important, ce qui permet d'obtenir de meilleures résolutions en énergie. De plus, le numéro atomique et la densité élevés des matériaux semi- conducteurs permettent d'utiliser des volumes de détection nettement inférieurs à ceux des détecteurs à gaz ou des scintillateurs, tout en conservant la même efficacité quantique de détection. L'utilisation de ces matériaux semi- conducteurs comme détecteurs de rayonnement X ou y implique le dépôt de deux contacts électriques à la surface du matériau, aux bornes desquels une tension de polarisation est appliquée. Les porteurs de charges, c'est-à-dire les paires électron-trou créées par l'interaction du photon y avec le matériau, vont se séparer sous l'action du champ électrique, les électrons migrant vers l'électrode positive et les trous vers l'électrode négative. L'aptitude de ces porteurs de charge à migrer vers les électrodes sans se faire piéger par des défauts présents dans le matériau semi- conducteur conditionne la résolution en énergie du spectre mesuré. Cette aptitude, appelée aussi propriété de transport des porteurs de charge, est mesurée par la mobilité et la durée de vie des électrons et des trous. Lorsque le produit mobilité x durée de vie est comparable ou inférieur au temps de migration des porteurs de charges vers les électrodes, la résolution en énergie est médiocre. De nombreuses méthodes ont été imaginées pour limiter le piégeage des trous, basées soit sur un effet de champ électrique, soit sur un effet géométrique, ou bien encore sur une mesure de corrélation amplitude-temps de montée, le signal détecté étant alors la somme de la charge du trou et de celle de l'électron. Par ailleurs, la demande de brevet français FR-A-2 738 919 décrit un procédé d'exploitation du signal fourni par un détecteur à semiconducteur, qui permet de s'affranchir des mauvaises propriétés de transport des trous en produisant un signal représentatif du temps de montée de la composante électronique du signal fourni par le détecteur, c'est-à-dire de la composante du signal total qui correspond à la collection des électrons provenant de l'interaction de chaque photon y avec le matériau semi-conducteur. Ce document décrit également un dispositif destiné à mettre en oeuvre cette exploitation de signaux. Ce dispositif comporte différents moyens pour traiter analogiquement les signaux issus du détecteur dont un détecteur de crête à la sortie duquel est relié un discriminateur de montée vers la crête du signal; ce discriminateur est réalisé au moyen d'un transistor qui charge un condensateur jusqu'au niveau crête du signal. La sortie de ce discriminateur est reliée à des moyens de détermination de l'instant de fin de montée. Dans ce dispositif, un filtre passe-haut, placé en amont du détecteur de crête, a pour rôle d'assurer la transmission du signal d'entrée. Ce filtre passe-haut doit donc avoir une fréquence de coupure fc inférieure à 1/2 n t, o t est le temps de montée maximum de la composante électronique du signal. Pour une bonne efficacité de la correction électronique, il faut mesurer des temps de montée 3 à fois plus faibles que le temps de montée maximum. La mesure du temps de montée avec un détecteur de crête est très sensible aux signaux parasites, ce qui ne présente pas d'inconvénient lorsque le rapport signal/bruit est bon, mais qui peut être gênant dans le cas fréquent o ce rapport signal/bruit est médiocre, c'est-à-dire lorsque les signaux à mesurer sont perturbés par le bruit électronique. Par ailleurs, une demande de brevet portant le numéro FR-A-2 738 693 décrit un dispositif de traitement d'informations provenant de l'interaction d'une particule y avec un détecteur CdTe qui comprend un circuit d'amplitude permettant de déterminer l'instant de début de la mesure du temps de montée d'une impulsion et un circuit de temps permettant de détecter la fin du temps de montée de l'impulsion. Cependant, ce dispositif n'est efficace que dans le cas o le signal d'entrée monte relativement lentement et est très peu parasité. Or, dans la pratique, les signaux récupérés en sortie des détecteurs sont très faibles (de l'ordre de 10-15 à 10-19 coulomb) et les bruits parasites sont du même ordre de grandeur, voire plus importants (ces bruits peuvent être affaiblis par un filtrage). Exposé de l'invention L'invention a justement pour but de remédier aux inconvénients des dispositifs décrits précédemment en proposant un dispositif qui permet de mesurer de façon plus précise que les dispositifs antérieurs, le temps de montée de signaux perturbés par des bruits électroniques dont le rapport signal/bruit est médiocre. Le dispositif de l'invention permet de s'affranchir des bruits parasites par un filtrage fréquentiel, suivit d'un filtrage temporel adapté c'est-à-dire d'un filtrage dans lequel le gain de la chaine d'amplification est adapté aux caractéristiques temporelles du signal à mesurer et qui indique la durée du temps de montée du signal à mesurer. De façon plus précise, l'invention concerne un dispositif de mesure du temps de montée de la composante électronique d'un signal parasité par des bruits électroniques, obtenu en sortie d'un détecteur à semi- conducteur, en réponse à l'interaction d'un photon avec le matériau semi-conducteur du détecteur, caractérisé en ce qu'il comporte: - un circuit différentiateur comportant au moins une résistance et un condensateur associés pour réaliser un filtre passe- haut pour filtrer les bruits parasites de basse fréquence du signal issu du détecteur; et - un circuit discriminateur comprenant un comparateur pour effectuer une comparaison entre le signal filtré issu du circuit différentiateur et une tension de décalage choisie en fonction du niveau de bruit parasitant le signal issu du détecteur. Selon un mode de réalisation de l'invention, le circuit discriminateur comporte une source de tension de décalage connectée sur la borne négative du comparateur, la borne positive dudit comparateur recevant le signal obtenu en sortie du circuit différentiateur. Selon un autre mode de réalisation de l'invention: - le circuit discriminateur comporte une source de tension de référence connectée en série sur une résistance d'atténuation, elle-même connectée sur la borne négative du comparateur; - le circuit différentiateur résulte de la connexion, sur la borne négative du comparateur, de la sortie d'un circuit RC passe bas et de la connexion, sur la borne positive du comparateur, du signal issu directement du détecteur. Brève description des figures - Les figures 1A et lB représentent schématiquement deux variantes du schéma de câblage du dispositif de mesure du temps de montée, conformément au premier mode de réalisation; - la figure 2 représente le chronogramme des signaux obtenus pour le dispositif de la figure 1; - les figures 3A et 3B représentent schématiquement deux variantes du schéma de câblage du dispositif de mesure du temps de montée, conformément au second mode de réalisation; et - la figure 4 représente le chronogramme des signaux obtenus pour le dispositif de la figure 3. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention Le dispositif de mesure du temps de montée de la composante électronique d'un signal issu d'un détecteur à semi-conducteur, conforme à l'invention, comporte des moyens pour effectuer un filtrage fréquentiel de cette composante électronique et des moyens pour effectuer un filtrage temporel adapté de ladite composante électronique. Les moyens de filtrage fréquentiel consistent en un circuit différentiateur référencé, respectivement, Cll et C12 sur les figures lA, lB, 3A et 3B. Les moyens de filtrage temporel adapté consistent en un circuit discriminateur noté, respectivement, C21 et C22 sur les figures lA, lB, 3A et 3B; la discrimination de montée est réalisée par comparaison de la variation temporelle de la tension, avec une tension fixe, appelée tension de seuil déterminée à partir de la pente de variation de la tension à mesurer et de la tension du bruit perturbateur (parasite). Sans rayonnement incident sur le détecteur polarisé, la tension de seuil est ajustée pour n'obtenir qu'un minimum "acceptable" de signal parasite. Le circuit différentiateur (Cll ou C12) assure le filtrage des signaux parasites de basse fréquence du signal issu du détecteur. Pour cela, il comporte au moins une résistance r et un condensateur c réalisant un filtre passe-haut. Ce filtre passe-haut permet une atténuation du bruit parasite, jusqu'à la fréquence de coupure: I fc= 27u -r 2K o X est un temps de retard (décrit plus précisément par la suite) inférieur au temps de montée minimum du signal. L'atténuation du bruit parasite de basse fréquence est réalisée jusqu'à la fréquence. Dans 27-r la réalisation antérieure du document FR-A-2 738 919, l'atténuation du bruit parasite de basse fréquence va jusqu'à. Or, tmax > ton > T l'atténuation du 2 7 tmax bruit parasite de basse fréquence du dispositif de l'invention est plus importante que celle réalisée par le dispositif de l'art antérieur. Sur les figures 1A et lB, on a représenté un circuit différentiateur d'ordre 1, c'est-à-dire qui ne comporte qu'un seul circuit r/c. Toutefois, dans le cas des figures 3A et 3B ce circuit peut être réalisé au moyen de plusieurs étages r/c ou d'une ligne à retard (appelés, plus généralement, réseaux retardateurs). Le circuit discriminateur (C21 ou C22) permet de comparer un signal d'entrée avec ce même signal décalé dans le temps (d'un temps T). Sur la figure 1A, on a représenté un premier mode de réalisation du dispositif de l'invention. Dans ce mode de réalisation, le circuit discriminateur C21 comporte un comparateur k qui reçoit en entrée, sur sa borne positive (borne +), le signal obtenu en sortie du circuit différentiateur Cll et, sur sa borne négative (borne -), une tension de décalage Vdec positive. Le circuit différentiateur Cll comporte une résistance r et un condensateur c câblés sous forme de filtre passe-haut sur la borne positive (borne +) du comparateur k du circuit discriminateur. Le signal d'entrée ve, issu du détecteur mais symbolisé sur la figure par la source Si, est filtré par le filtre r/c. Ainsi, seule la variation temporelle de la tension d'entrée ve (qui est la dérivée du signal d'entrée sur le temps T et dont les bruits de basse fréquence ont été supprimés) est introduite, pour comparaison, dans le circuit discriminateur. Le circuit différentiateur est adapté: - d'une part, pour ne pas provoquer de mesures sur le signal parasite en l'absence de rayonnement; et d'autre part, à l'évolution temporelle du signal utile et à la rejection du signal parasite lors de la mesure du temps de montée. La sortie v3 du comparateur k indique le temps de montée de la composante électronique du signal issu du détecteur. La tension de décalage Vdec, produite par la source de tension S2, est adaptée à l'amplitude du bruit parasite du signal à traiter. Autrement dit, elle est choisie de façon que le bruit seul ne déclenche pas le comparateur k. Plus précisément, plus le bruit parasite est élevé, plus la tension de décalage émise par la source S2 est choisie élevée. Cette tension de décalage vdec est comparée à la dérivée de la tension d'entrée (dv) du dispositif dtJ retardée d'un temps t (appelé aussi retard T) Dans les applications de l'invention, ce retard T équivaut à environ 1/10e du temps de montée maximum des électrons. Pour une détection de photon y d'énergie 150 kev, le temps de migration des électrons dans le détecteur est compris entre 1 ps et 0,2 ls. Sur la sortie vy, la différente tf - td mesure ce temps de migration (cf. figure 4). l1 En d'autres termes, les retards Td et Tf produits par ce circuit différentiateur sur td et tf sont comparables et de l'ordre de r x c. En première approximation, rf compense rd. La figure lB représente une variante du circuit de la figure lA, selon laquelle la borne + du comparateur k reçoit une tension Vref négative; une résistance R est alors rajoutée entre la borne + du comparateur k et la source de tension Vref. Sur la figure 2, on a représenté l'évolution temporelle des signaux obtenus dans le dispositif de la figure 1. Plus précisément, ce chronogramme montre la tension d'entrée ve du dispositif, les tension v+ et v- aux bornes + et - du comparateur et la tension de sortie vs du dispositif: - la tension ve correspond à la composante électronique du signal issu du détecteur; - la tension v- est la tension vdec émise par la source S2; - la tension v+ est la tension obtenue en sortie du filtre réalisé par r/c; et - la tension vs correspond au signal obtenu après comparaison du signal v+ avec le signal v-; ce signal v5 a, à l'instant td, un front de montée qui correspond à l'instant de début du temps de montée et, à l'instant tf, un front de descente qui correspond à l'instant de fin du temps de montée du signal ve. La figure 3A montre un second mode de réalisation du dispositif de l'invention. Dans ce mode de réalisation, le circuit discriminateur C22 comporte un comparateur k dont la borne + reçoit le signal d'entrée ve(t) et la borne - reçoit un signal appelé v- et qui équivaut à: v = ve(t-T) + Vdec. Plus précisément, la borne - du comparateur k reçoit, d'une part, la tension de référence Vref provenant de la source de tension S3 et amortie par la résistance d'amortissement R et, d'autre part, la tension obtenue sur une des deux sorties du circuit différentiateur C12, c'est-à- dire le signal d'entrée Ve(t-T) retardé de T-r par rapport au signal d'entrée Ve(t). Dans ce mode de réalisation, la tension de décalage est réglée par l'intermédiaire de la tension R+r de référence Vref avec vf = -. Vdec avec R " r. r Le circuit différentiateur C12 comporte une résistance r et un condensateur c câblés en filtre passe-bas sur la borne négative (borne -) du comparateur k. En pratique, une des sorties du circuit différentiateur C12 est connectée sur la sortie de la résistance d'atténuation R, l'autre sortie étant connectée sur la borne positive du discriminateur. Dans ce second mode de réalisation, on réduit l'influence du bruit parasite en diminuant le retard T. La figure 3B représente une variante du circuit de la figure 3A, selon laquelle la tension Vref est négative et introduite sur la borne + du comparateur k; une résistance r est alors ajoutée entre la source de tension Ve et ladite borne +. Dans les deux modes de réalisation de l'invention (figures 1A/B et figures 3A/B), la tension observée par le comparateur k est la tension aux bornes de la résistance r: dans le premier mode de réalisation, cette tension est observée directement tandis que dans le second mode de réalisation, elle est observée en différentiel par le comparateur. Dans les deux modes de réalisation, le circuit différentiateur a été réalisé au moyen d'un seul étage r/c; toutefois, dans le second mode de réalisation illustré par les figures 3, il peut être réalisé au moyen de deux, ou de plusieurs étages r/c ou au moyen d'une ligne à retard caractérisée par son retard t. Sur la figure 4, on a représenté l'évolution temporelle des différentes tensions parcourant ce dispositif. Plus précisément, on a représenté: - la tension v+, à la borne positive du comparateur k: v+ = Ve(t); - la tension v-, à la borne négative du comparateur k: v- = ve(t - t) + Vdec; - la tension vdec exprime le décalage de tension entre v+ et v-, (v+ - v-), observé en l'absence de signal d'entrée; - la tension (v+) - (v-); et - la tension v5 obtenue en sortie du comparateur k. Ce signal vs comporte un front montant et un front descendant qui correspondent, respectivement, aux instants de début et de fin de5 montée de la composante électronique du signal issu du détecteur. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure du temps de montée de la composante électronique d'un signal parasité par des bruits électroniques, obtenu en sortie d'un détecteur à semi-conducteur, en réponse à l'interaction d'un photon avec le matériau semi-conducteur du détecteur, caractérisé en ce qu'il comporte: - un circuit différentiateur (Cll, C12) comportant au moins une résistance (r) et un condensateur (c) réalisant un filtre passe-haut pour filtrer les bruits parasites de basse fréquence du signal issu du détecteur; et - un circuit discriminateur (C21, C22) comprenant un comparateur (k) pour effectuer une comparaison entre le signal filtré issu du circuit différentiateur et une tension de décalage choisie en fonction du niveau de bruit parasitant le signal issu du détecteur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit discriminateur (C21) comporte une source de tension de décalage (S2) connectée sur la borne négative du comparateur, la borne positive dudit comparateur recevant le signal obtenu en sortie du circuit différentiateur (C11). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que; - le circuit discriminateur (C22) comporte une source de tension de référence (S3) connectée en série sur une résistance d'atténuation (R), elle- même connectée sur la borne négative du comparateur; - le circuit différentiateur (C12) est connecté sur les entrées du circuit discriminateur (C22); - la borne positive du comparateur reçoit directement le signal issu du détecteur; et - la borne négative du comparateur reçoit un signal retardé par un réseau retardateur (de retard Tr).