DOSSIER THEMATIQUE N° 6 - mars 2012
Le projet CASA
Capteurs Spatiaux pour l'Astrophysique
L’étude et le suivi de l’environnement ionisé de la Terre et du Soleil sont perturbés par des précipitations intenses de particules qui nécessitent de réaliser une mesure in situ sophistiquée de ces particules chargées énergétiques (électrons et ions). L'objet du projet CASA, qui associe l'IRAP et le LAAS, est de développer des systèmes intégrés d'instrumentation multivoies en technologie CMOS pour la mesure de particules en environnement spatial. Au delà du succès technique des réalisations obtenues pendant le déroulement du projet (novembre 2008 à septembre 2011), CASA a permis de construire un savoir-faire commun, qui doit être pérennisé, entre utilisateurs de détecteurs et développeurs de circuits électroniques.
Les performances du système sont liées à celles du circuit de lecture employé, qui doit être spécifique au détecteur et à l’application choisie. Ce circuit transforme la charge reçue en impulsion de tension (CPA), met en forme, filtre et amplifie ce signal (PS) et en assure la conversion analogique / digitale (comparateur et monostable ou ADC), en interface avec les calculateurs de bord. Grâce à la réduction de la taille des gravures sur les substrats de Si, les technologies microélectroniques dites « durcies aux radiations » peuvent aujourd’hui être remplacées par des technologies CMOS/BiCMOS standard moins coûteuses, plus performantes, d’accès plus facile et permettant un haut niveau d’intégration.
Comptage de particules pour la mesure des plasmas spatiaux
CASA avait pour principal objectif la mise au point d’ASIC multivoies, permettant la lecture simultanée de tout ou partie des pixels des deux types de détecteurs présentés ci-dessus. Après une analyse de l’état de l’art, une technologie CMOS 0,35 µm a été choisie. Un ASIC 16 Voies permettant le comptage des impulsions issues des différentes anodes des MCP a été réalisé puis testé aux radiations dans les accélérateurs de Louvain la Neuve. La figure 2 ci-dessous montre l’ASIC, dont le design a été réalisé à l’AIME (Atelier Interuniversitaire de Micro Electronique), et les caractéristiques de cette chaîne de détection de particules, de la réponse probabiliste de la MCP jusqu’à la mise en forme de l’impulsion après chaque étage de l’électronique.
Détection de l'énergie des particules pour la spectrométrie de masse
Pour ce qui concerne la détection de l’énergie des particules par une mesure différentielle Si/CdZnTe, une modélisation (code Geant 4) a permis de distinguer les lois de probabilité différentes de création de paires électrons–trous dans Si (en rouge) et CdZnTe (en bleu) en fonction de l’énergie des électrons incidents (Fig. 3).
Au delà du succès technique des réalisations, le projet CASA a permis de construire un savoir-faire commun, qui doit être pérennisé, entre utilisateurs de détecteurs et développeurs de circuits électronique. Grâce à des collaborations nationales (CNES) et internationales (JAXA au Japon et Space Science Laboratory, à Berkeley) les chaînes de mesure développées vont pouvoir bénéficier de très intéressantes opportunités de vol : mission CNES TARANIS, dédiée à l’étude de l’état électrique de la haute atmosphère et mission NASA Solar Orbiter, dédiée à la structure de l’héliosphère interne (en deçà de l’orbite de Mercure).
Coordinateur du projet : Jean-André SAUVAUD (IRAP)
Laboratoires impliqués : IRAP, LAAS
Pour en savoir plus :
- CASA : Capteurs Spatiaux pour l'Astrophysique
- A low power CMOS Instrumentation Chain for Micro-Channel Plates in Astrophysics F. Bouxiou, O. Bernal, H. Tap-Beteille, J.A. Sauvaud, Sensors Journal, IEEE Vol 11, n° 4, April 2011, pages 1040-1045.
- CASA : Capteurs Spatiaux pour l'Astrophysique
- A low power CMOS Instrumentation Chain for Micro-Channel Plates in Astrophysics F. Bouxiou, O. Bernal, H. Tap-Beteille, J.A. Sauvaud, Sensors Journal, IEEE Vol 11, n° 4, April 2011, pages 1040-1045.