Le SiPM (Silicon PhotoMultiplier) est un nouveau type de détecteur utilisé comme compteur de photons comprenant plusieurs APD (photodiode avalanche) fonctionnant en mode Geiger.
Le SiPM est un détecteur à semi-conducteur qui possède d’excellentes performances de comptage de photons et peut être utilisé dans de nombreuses applications qui requièrent la détection d’extrêmement faibles signaux lumineux.
Objectifs
Caractériser les détecteurs SiPM et évaluer les performances métrologiques.
Adapter les bancs et instruments de mesure du laboratoire pour traiter les faibles niveaux de flux nécessaires à la caractérisation des détecteurs.
Résumé des travaux
Ce projet avait pour but de tester ces détecteurs SiPM pour leur utilisation en radiométrie des sources en remplacement de détecteurs faibles niveaux comme le photomultiplicateur ou la caméra CCD faible bruit. Le détecteur SiPM à l’avantage d’avoir une sensibilité très élevée comme un photomultiplicateur, avec une gamme spectrale plus étendue dans le proche infrarouge, sensiblement identique à une caméra CCD, avec par contre un prix extrêmement plus abordable par rapport à ses deux « concurrents ».
La caractérisation a consisté à réaliser des mesures de sensibilité spectrale et de linéarité sur deux types de détecteurs SiPM, l’un étendu vers le bleu, le second étendu vers le rouge, afin de vérifier leurs performances pour des usages de métrologie comme la spectroradiométrie de voyants lumineux ou la mesure de flux de sources de référence pour la bioluminescence.
Les moyens de caractérisation déjà développé au LNE ont dû être adaptés pour l’utilisation de détecteurs faibles flux. Il a fallu créer une instrumentation et un mode opératoire spécifique pour la mesure de la sensibilité spectrale et revoir totalement le capotage du banc de linéarité pour diminuer au maximum le rayonnement parasite.
La caractérisation des détecteurs SiPM a montré un comportement très inhabituel par rapport aux détecteurs en photo-courant ou les détecteurs imageurs, avec des pixels qui saturent sans qu’il soit possible de les détecter et une linéarité très décevante pour une utilisation en radiométrie. Pour éviter la saturation de quelques pixels il est indispensable d’utiliser les détecteurs SiPM en éclairement avec un faisceau le plus uniforme possible, ce qui rend son utilisation assez contraignante. Si la linéarité peut être corrigée, cette situation n’est pas acceptable pour une utilisation en radiométrie aux meilleurs niveaux.
Les travaux réalisés sur les détecteurs SiPM dans une configuration de fonctionnement « radiométrique » ont monté que ces détecteurs ne sont pas adaptés pour des mesures en radiométrie ou en spectroradiométrie. La réponse en linéarité est problématique et il deviendrait compliqué de les corriger et d’être certain que le détecteur SiPM est utilisé en prenant toutes les précautions nécessaires et en appliquant toutes les corrections.
Impacts scientifiques et industriels
Il avait été envisagé d’utiliser un détecteur SiPM pour la mesure du NVIS (Night Vision) et l’étalonnage de sources de référence de faible luminance pour les mesures de photoluminescence de bactéries pour le contrôle de stérilisation. La perspective d’utiliser un détecteur SiPM pour ces mesures n’est pas envisageable.
La mesure de NVIS ne pourra être réalisée qu’à l’aide de caméras CCD faibles bruits associés à un monochromateur imageur moderne, ou bien, en utilisant un photomultiplicateur infrarouge pouvant s’adapter sur nos monochromateurs plus anciens, ce qui restera l’investissement le plus modéré.
La mesure de sources de référence de faible luminance, de l’ordre de 30 μcd/m², est en cours de développement, l’évolution du banc de sensibilité spectral permettant d’étalonner des détecteurs faible flux permet maintenant d’étalonner des photomultiplicateurs avec de bonnes incertitudes.