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Collaboration INNOTEP entre l’IN2P3 (IPNL et LPC Clermont-Ferrand) et le CEA-DAPNIA

L’objectif de cette collaboration est l’utilisation des concepts d’architecture électronique développés pour la physique du LHC et ILC pour améliorer les performances des Tomographes à émission de positons.

Le travail repose sur l’optimisation, le développement et la validation d’un concept sans temps mort pour les TEPs de hautes sensibilités. Ce type d’électronique pourra également être utilisé en hadronthérapie pour le control en ligne des doses déposées. Les imageurs TEP sont assez proches d’un calorimètre utilisé en physique des particules. Ils doivent avoir une bonne résolution en énergie et spatiale. On aboutit naturellement à un système pixélisé. La diminution du temps mort implique également une numérisation permanente des signaux issus du détecteur à une fréquence de l’ordre de 50 MHz. La chaîne de mesure sera composée d’un préamplificateur de charge, d’un filtre différentiel et d’un ADC différentiel (Fig 9).

Le premier prototype sera construit avec les APD de CMS-ECAL et des cristaux de LSO (temps de montée 5 ns, décroissance 40 ns) et comportera uniquement le préamplificateur et le filtre. Dans cette collaboration, le laboratoire a pris en charge le développement du préamplificateur de charge et le LPC le développement du filtre différentiel. L’ensemble est développé en technologie CMOS-AMS 0.35 µm. La dynamique en énergie s’étend de 250 KeV à 650 KeV avec un sigma de 50 KeV. Compte tenu du cristal utilisé, de leur taux d’émission de lumière (24000 photon/MeV) et du gain des APD (G=60 à 400 V), la charge maximale à détecter est de 382 000 électrons. Nous souhaitons une résolution en temps de 1 ns avec un temps au pic de 150 ns, soit une résolution temporelle de 1%. La contrainte en bruit ramené à l’entrée pour l’électronique sera par conséquent de 3800 électrons, ce qui correspond à une gamme dynamique de 7 bits. Finalement, les caractéristiques du bloc préamplificateur-filtre différentiel à réaliser sont un ENC de 3800 électrons et un temps au pic de 150 ns

Compte tenu de la faible quantité de charge à intégrer (64 fC) et de la forte valeur de la capacité du détecteur (Cd = 80 pF), les caractéristiques du préamplificateur et les éléments de la contre-réaction ont été fixées à :

Gain en boucle ouverte Marge phase Produit Gain-Bande Rf Cf
70 dB 60 Deg 1 GHz 600 k 450 fF

Dans une seconde étape, l’ADC utilisé sera celui développé par le LPC pour les futures expériences sur les collisionneurs linéaires à électrons.