First results for second generation SiSeRO CCD devices
Cet article présente les résultats initiaux des CCD de deuxième génération à lecture sensible à l'électron unique (SiSeRO) et décrit un banc d'essai comprenant un ASIC de puce de lecture multicanaux (MCRC) conçu pour prendre en charge ces détecteurs de nouvelle génération, à bruit sub-électronique, destinés aux futurs observatoires astronomiques allant des rayons X au proche infrarouge.
Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète
Imaginez que vous essayez d'écouter un murmure unique et minuscule dans une pièce remplie d'une foule en plein tumulte. Dans le monde de l'astronomie, ce murmure est un faible photon de rayons X provenant d'un trou noir lointain ou d'une étoile mourante, et la foule en plein tumulte est le « bruit » électronique à l'intérieur de l'appareil photo qui prend la photo. Pendant des décennies, les scientifiques ont construit de meilleurs appareils photo pour capturer ces murmures cosmiques, mais ils se sont heurtés à un mur : pour voir les choses les plus ténues, ils avaient besoin d'appareils photo incroyablement rapides (pour capturer les éclats de lumière rapides) et incroyablement silencieux (pour que le propre bourdonnement de l'appareil ne couvre pas le signal). Entrez en scène, un nouveau type de capteur d'appareil photo appelé SiSeRO. Considérez un capteur d'appareil photo traditionnel comme une chaîne de seaux transmettant de l'eau ; si vous passez le seau trop vite, vous en renversez un peu (bruit), et si vous vous arrêtez pour vérifier le niveau de l'eau, vous risquez de faire tomber le seau. Le SiSeRO est différent ; c'est comme un seau magique qui vous permet de jeter un coup d'œil à l'intérieur pour mesurer l'eau sans jamais en perdre une goutte. Vous pouvez jeter un coup d'œil autant de fois que vous le souhaitez, et en faisant la moyenne de tous ces regards, le bruit de fond s'efface, laissant place au signal clair et net du murmure cosmique. Cette technologie est la clé de la prochaine génération de télescopes spatiaux, qui doivent voir l'univers avec un détail plus précis que jamais.
Maintenant, jetons un œil sur la dernière mise à jour de l'équipe qui construit ces seaux magiques. Les chercheurs de Stanford, du MIT Lincoln Laboratory et de l'Institut Kavli du MIT viennent de lancer la « deuxième génération » de leurs capteurs SiSeRO, qu'ils appellent le CCID93++. Si la première version était un prototype prouvant que l'idée fonctionnait, cette nouvelle famille de dispositifs est l'outil robuste conçu pour répondre aux exigences massives des futures missions spatiales.
L'équipe n'a pas seulement fabriqué un nouveau capteur ; elle a construit toute une boîte à outils pour tester différentes manières d'améliorer encore ces capteurs. D'abord, ils ont créé le CCID93++B, qui est comme si 16 minuscules caméras travaillaient côte à côte au lieu d'une seule. Dans une configuration traditionnelle, un capteur lit une ligne de pixels à la fois, comme si l'on lisait un livre mot après mot. Ce nouveau dispositif lit 16 lignes à la fois, ce qui le rend 16 fois plus rapide. Pour s'assurer qu'ils trouvaient la meilleure conception, ils ont divisé ces 16 voies en quatre groupes différents, chacun ayant un « moteur » légèrement différent (comme le déplacement de la porte interne ou la modification de la résistance). C'est comme tester quatre moteurs de voiture différents dans la même voiture de course pour voir lequel offre la meilleure consommation.
Deuxièmement, ils ont construit le CCID93++C, qui adopte une approche différente. Au lieu de fonctionner côte à côte, ces 16 capteurs sont alignés en file indienne, les uns après les autres. Imaginez passer un mot secret le long d'une ligne de 16 amis. Chaque ami lit le mot, écrit ce qu'il a entendu et le passe à la personne suivante sans modifier le mot. Parce que 16 amis lisent le même mot, le message final est beaucoup plus clair et plus silencieux que si une seule personne l'avait lu. Cette conception vise à réduire le bruit d'un facteur 4, rendant le « murmure » encore plus facile à entendre.
Enfin, l'équipe a fait un petit pas vers l'avenir en construisant une matrice de pixels 3x3, qui est le tout premier prototype d'un « Capteur à Pixel Actif ». C'est comme construire une grille minuscule de caméras individuelles où chaque pixel possède son propre cerveau. Cette conception est spéciale car elle n'a pas besoin de transmettre le signal le long d'une longue ligne, ce qui la rend plus résistante aux radiations dans l'espace et parfaite pour prendre des films super rapides de choses qui changent rapidement dans le ciel.
Pour tester tous ces nouveaux gadgets, l'équipe a construit un « terrain de jeu » personnalisé appelé banc d'essai. Ils ont utilisé une puce spéciale appelée MCRC (Multi-Channel Readout Chip) pour lire les signaux de toutes les 16 voies à la fois, ce qui est beaucoup plus efficace que d'utiliser 16 fils encombrants et séparés. Ils ont refroidi les capteurs jusqu'à un froid glacial de -105 °C (168 Kelvin) pour empêcher le tremblement dû au bruit thermique, et ils les ont bombardés de rayons X pour voir comment ils performaient.
Alors, qu'ont-ils découvert ? Les résultats sont prometteurs mais sont encore en phase de « réglage ». Ils ont découvert que 15 des 16 amplificateurs du nouveau capteur parallèle fonctionnaient correctement, répondant aux signaux comme ils le devaient. Un amplificateur s'est montré têtu et n'a pas répondu, ce que l'équipe est actuellement en train d'étudier. Lorsqu'ils ont mesuré la capacité des capteurs à convertir la charge en un signal (une propriété appelée transconductance), ils ont trouvé une moyenne de 18,42 microsiemens, la conception la plus performante (celle avec la résistance réduite) atteignant 21,32 microsiemens.
L'article ne prétend pas que ces capteurs sont parfaits pour autant. En fait, ils ont remarqué des « fuites » dans les signaux électriques, probablement causées par la façon dont les portes sont polarisées, ce qui ajoute un peu de courant supplémentaire. Ils effectuent actuellement des tests pour trouver les réglages de tension parfaits afin de corriger cela. Cependant, le fait qu'ils puissent lire 16 canaux en parallèle et que la nouvelle conception de « passage de mot » fonctionne est un grand pas en avant. Ils ont prouvé que ces dispositifs de deuxième génération peuvent être fabriqués et lus, et ils sont maintenant en train d'ajuster les boutons pour les rendre aussi silencieux et rapides que possible. Ce n'est pas encore le produit fini pour le prochain télescope spatial, mais c'est la version la plus avancée et la plus fonctionnelle de cette technologie que nous ayons vue jusqu'à présent, ouvrant la voie aux yeux ultra-sensibles qui scanneront bientôt le cosmos.
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