Un nouveau concept de détecteurs haute performance


Un nouveau concept de détecteurs haute performance

Chris Kenney du SLAC possède une caméra à rayons X ePix10k avec 16 modules et 2,2 mégapixels. Crédit photo : Jacqueline Ramseyer Orrell / SLAC National Accelerator Laboratory

Lorsque le laboratoire national de l’accélérateur SLAC du ministère de l’Énergie a mis en service le premier laser à électrons libres à rayons X durs au en 2009, cela a marqué le début d’une nouvelle ère pour la science – une ère dans laquelle les chercheurs ont pu observer et étudier directement les mouvements ultrarapides des atomes. en temps réel, comment ces mouvements affectent les propriétés des matériaux et des processus fondamentaux en chimie et en biologie.

Cependant, la nouvelle machine, appelée source de cohérente Linac (LCLS), nécessitait également une nouvelle génération de capables de traiter le rayonnement intense du laser à rayons X et qui étaient suffisamment rapides, stables et flexibles pour supporter un grand nombre de expériences nouvellement développées.

C’est ainsi qu’est née l’idée d’ePix – une nouvelle gamme de détecteurs exceptionnellement polyvalents qui deviendrait bientôt le cheval de bataille des expériences de rayons X ultra-rapides au LCLS.

« Le choix était soit de développer plusieurs détecteurs, chacun conçu pour une expérience spécifique, soit de développer une nouvelle plate-forme de détecteurs qui utilise des composants standardisés que nous pourrions combiner et combiner pour construire tous les types de détecteurs avec des fonctionnalités spécifiques », a déclaré Angelo Dragone, programme du SLAC. Directeur R&D Détecteurs et Microélectronique Appliquée.

Aujourd’hui, cette approche modulaire est au cœur de la vision du SLAC pour les détecteurs de nouvelle génération qui peuvent suivre les expériences de plus en plus sophistiquées en laboratoire, en particulier avec une mise à niveau LCLS qui sera 10 000 plus lumineuse et tirera 8 000 fois plus vite que son prédécesseur. Cette année, les détecteurs à rayons X ePix ont également été reconnus comme finalistes des célèbres R&D 100 Awards.

« C’est une grande reconnaissance de tout le travail acharné que l’équipe a fait au fil des ans », a déclaré Dragone. « La technologie ePix est toute une philosophie de conception, un concept pour la construction de détecteurs hautes performances qui peuvent être adaptés à de nombreuses applications. Cela vaut la peine de voir que cette approche a porté ses fruits. »

Une conception de détecteur modulaire pour une nouvelle source de rayons X

Essentiellement, tous les détecteurs ePix se composent d’un ensemble commun de blocs de construction : capteurs à rayons X, circuits intégrés spécifiques à l’application (ASIC) qui définissent la fonctionnalité du détecteur, électronique pour lire les signaux, logiciel pour collecter les données, systèmes de refroidissement et boîtiers mécaniques . Ces composants communs ont des interfaces standardisées et peuvent être combinés en tuiles de détecteur individuelles avec différentes fonctionnalités. Ces tuiles peuvent être encore combinées pour construire des détecteurs plus grands.

Contrairement aux détecteurs de rayons X dont disposaient les scientifiques auparavant, les détecteurs ePix sont suffisamment rapides pour la succession rapide d’impulsions ultracourtes de LCLS, suffisamment sensibles pour capturer à la fois des photons uniques et la pleine intensité du faisceau de rayons X, et suffisamment stables pour durer plus de longues périodes de temps pour bien performer dans le temps.

Un nouveau concept de détecteurs haute performance

Angelo Dragone du SLAC montre une plaquette de silicium qui contient environ 50 circuits intégrés spécifiques à l’application ou ASIC avec un noyau ePixHR. Il s’agit de la première génération de puces de lecture à haut débit pour les détecteurs du laser à rayons X du laboratoire de nouvelle génération, LCLS-II. Crédit photo : Jacqueline Ramseyer Orrell / SLAC National Accelerator Laboratory

« La clé ici est que les composants parlent le même langage, nous pouvons donc très facilement les assembler de différentes manières », a déclaré Chris Kenney, scientifique principal au SLAC, qui a travaillé avec Dragone dès le début sur le développement d’ePix au Laboratoire Advance. « Mais bien que différents détecteurs aient une architecture commune, ils sont adaptés aux besoins de l’expérience spécifique dans laquelle ils sont utilisés. »

Permet la science des rayons X de classe mondiale au SLAC et ailleurs

Aujourd’hui, environ 85 % des expériences LCLS reposent sur des détecteurs ePix. Au cours de la dernière année, LCLS a produit plus d’un pétaoctet ou d’un billion d’octets de données utilisateur – près de la moitié de celles-ci ont été enregistrées avec des détecteurs ePix.

« Ces détecteurs constituent une plate-forme technologique très puissante qui est absolument essentielle à notre succès », a déclaré Bob Schoenlein, directeur adjoint de la science au LCLS. « C’était un grand pas en avant lorsqu’il a été introduit pour la première fois, et il a fait progresser le niveau de science que nous avons pu atteindre depuis lors. Les mouvements affectent des processus importants dans le monde qui nous entoure. »

Le premier des détecteurs était l’ePix100, qui a un bruit extrêmement faible pour détecter les signaux faibles et une petite taille de pixel de 50 microns pour les images radiographiques à haute résolution. Au fil des ans, les développeurs de détecteurs ont ajouté de nombreuses autres variantes ePix. Plus récemment, les concepteurs du détecteur ont utilisé l’ePix10k, qui peut enregistrer près de dix fois plus d’images radiographiques par que les générations précédentes, est trois fois plus sensible et est disponible avec jusqu’à 2 mégapixels. Une autre version, ePixS, est particulièrement adaptée aux applications de spectroscopie qui analysent des rayons X avec de très faibles différences de longueurs d’onde ou de « couleurs ».

Des chercheurs de la source avancée de photons du laboratoire national d’Argonne du DOE et du XFEL européen en Allemagne utilisent également la technologie, et d’autres systèmes à rayons X dans le monde pourraient suivre. Rayonix, une entreprise qui développe des détecteurs de rayons X pour la recherche, a commencé à commercialiser la technologie qui contribuera à les rendre plus largement disponibles.

Préparer l’avenir de la science des rayons X

En attendant, l’équipe du SLAC se concentre déjà sur le prochain défi : l’année prochaine, le laboratoire LCLS-II s’allumera, qui émet jusqu’à un million d’impulsions de rayons X par seconde et génère un faisceau 10 000 fois plus lumineux que le X de première génération. -rayon laser.

« Le LCLS-II produira des données à une vitesse si élevée que nous ne pourrons plus lire et stocker physiquement toutes les informations du détecteur », a déclaré Dragone. C’est pourquoi lui et ses collègues développent des versions ePix qui traitent les données différemment.

Un nouveau concept de détecteurs haute performance

Quatre unités de la caméra ePix10k utilisées pour la science des rayons X dans la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du SLAC et dans des installations du monde entier. La technologie ePix a été finaliste des prestigieux R&D 100 Awards en 2021. Crédit photo : Christopher Kenney / SLAC National Accelerator Laboratory

Une voie à suivre est une série de détecteurs pour des taux extrêmement élevés de données brutes appelés ePixHR. Un système avancé d’acquisition de données LCLS-II compresse les données de ces détecteurs sans compromettre la qualité de l’analyse ultérieure. C’est un peu comme créer un JPEG de haute qualité à partir d’une image brute contenant beaucoup plus de données. L’équipe a déjà produit un prototype capable de gérer 5 000 images par seconde, et les futures versions augmenteront ce nombre à 25 000 et éventuellement à 100 000 images par seconde.

Une autre approche appelée SparkPix permettra aux chercheurs de capturer des images à la même fréquence élevée que LCLS-II génère des flashs de rayons X. Cela profite du fait que toutes les données enregistrées par le détecteur n’ont pas la même importance. Souvent, seules quelques images dans une séquence d’images contiennent des signaux de rayons X réels, et certaines techniques n’utilisent que quelques pixels d’une grande image pour l’analyse des données, de sorte que tout n’a pas à être lu et enregistré en permanence. SparkPix traite ces données directement dans le détecteur et n’extrait que les informations dont il a besoin.

« Ces nouveaux développements nous permettront de poursuivre les objectifs scientifiques les plus ambitieux pour LCLS-II », a déclaré Schoenlein. « Mais pas seulement cela. Ces détecteurs créent également des capacités inimaginables qui amènent nos scientifiques à réfléchir à des types d’expériences complètement nouveaux qu’ils utilisent. »

Une stratégie holistique pour les enjeux data du laboratoire

Les débits de données extrêmement élevés du LCLS-II ne sont que l’un des défis auxquels les scientifiques du SLAC seront confrontés dans les années à venir. De futures études en cosmologie, y compris le Legacy Survey of Space and Time de l’Observatoire Rubin et une analyse du fond diffus cosmologique de la prochaine génération, et en physique des particules, comme la mise à niveau à haute luminosité du Large Hadron Collider au CERN, seront des quantités gigantesques de données qui nécessiteront de nouvelles approches de la collecte, de l’analyse et de la gestion des données.

Traditionnellement, les chercheurs et ingénieurs du SLAC dans une discipline développaient et construisaient généralement des détecteurs indépendamment de ce que faisaient leurs collègues dans d’autres domaines. Mais récemment, de nombreux concepteurs se sont réunis au sein de la Direction de l’innovation technologique (DIT) du laboratoire pour développer les outils scientifiques du futur.

« Les défis auxquels nous sommes confrontés dans l’ensemble du laboratoire sont très similaires, donc si nous faisons équipe et adoptons une approche intégrée pour développer l’acquisition de données, les ordinateurs et les détecteurs, nous pouvons mieux servir la science », a déclaré Dragone.

Par exemple, bien que les détecteurs de rayons X et de particules fondamentales recherchent des signaux différents, ils utilisent des composants similaires et nécessitent souvent des spécifications comparables telles qu’une synchronisation rapide, de petits pixels et une haute résolution. Une stratégie commune de développement de détecteurs optimise la recherche et le développement dans les deux domaines, et des avancées techniques dans un domaine peuvent conduire à des solutions dans l’autre.

Le programme de détecteurs ePix, qui a impliqué plusieurs dizaines de personnes de diverses directions et départements du SLAC au cours de la dernière décennie, est un bon exemple d’une collaboration stratégique réussie, a déclaré Dragone : Les sources lumineuses à rayons X de pointe sont désormais un modèle dans le TID pour le développement de détecteurs polyvalents pour d’autres zones de mission du laboratoire.  »


Détecteurs pour une nouvelle ère dans la physique d’ATLAS


Fourni par le SLAC National Accelerator Laboratory

Devis: A New Concept for High Detectors (2021, 15 décembre), consulté le 16 décembre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-12-concept-high-performance-detectors.html

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