Academic literature on the topic 'Optical readout detectors'

Les détecteurs gazeux ont démontré, au cours de ces dernières décennies, leur haute performance pour l'imagerie de particules radioactives, atteignant des résolutions spatiales inférieures à 100 µm. Les propriétés scintillantes de certains mélanges gazeux, combinées au gain important des détecteurs gazeux et à l'usage d'une caméra à bas bruit électronique, ont permis d'utiliser la lumière scintillée pour l'imagerie. Cette approche permet d'obtenir une large surface de détection et une haute résolution spatiale tout en réalisant l'imagerie en temps réel à un coût par pixel réduit, avec une faible complexité d'analyse des données. Les principaux objectifs de cette thèse sont d'optimiser la résolution spatiale ainsi que la sensibilité du détecteur, soit par une méthode d'acquisition "événement par événement" avec des temps d'acquisition d'image courts, soit par "intégration" avec des temps d'acquisition longs.Un détecteur Micromegas en verre innovant pour la lecture optique a été développé, tirant parti de la haute résolution spatiale inhérente au détecteur Micromegas.L'adaptabilité du gain du détecteur Micromegas liée au mécanisme d'amplification par avalanche, lui permet de couvrir une large gamme de flux et d'énergies de particules. Durant cette thèse, des mesures d'imagerie ont été réalisées à l'aide de sources avec des niveaux de radioactivité inférieurs à un Becquerel et des énergies de quelques keV, jusqu'à des flux caractéristiques d'un synchrotron et d'une source de spallation, avec des énergies dépassant le MeV.Le rendement lumineux du détecteur a été étudié pour différents mélanges gazeux et pour diverses valeurs de gain sous irradiation aux rayons-X afin d'optimiser la sensibilité du détecteur. L'homogénéité et la précision de la réponse du détecteur ont été caractérisées par radiographie à rayons-X. La Fonction d'Étalement du Point (PSF) du Micromegas à lecture optique a été mesurée à l'aide d'un faisceau de rayons-X parallèles de quelques microns d'épaisseur, générés par le rayonnement synchrotron. Cette mesure a permis de déterminer la résolution spatiale du détecteur pour différentes configurations et d'identifier et de quantifier les effets qui rentrent en jeux. L'impact de la microgrille et des piliers sur la réponse en scintillation du détecteur a également été observé et quantifié.Deux applications ont été choisies afin d'illustrer le potentiel du Micromegas à lecture optique: l'autoradiographie pour la quantification d'échantillons tritiés de très faible activitié et la radiographie neutronique à haute résolution en environnement hautement radioactif.L'autoradiographie et le comptage radioactif de rayonnements beta faiblement énergétiques ont été réalisés avec des échantillons de glucose tritié. Des activités inférieures à un Becquerel ont été mesurées avec précision et simultanément sur un grand nombre d'échantillons tout en assurant une reconstruction précise de leur position. Ce travail valide la possibilité de quantifier la concentration de médicaments anticancéreux à l'échelle de cellules tumorales uniques.Enfin, l'utilisation du Micromegas à lecture optique pour la neutronographie a été démontrée en utilisant une source de spallation produisant des neutrons thermiques à un flux d'environ 10⁸ n. s⁻¹cm⁻ ² mA⁻¹. L'uniformité de la réponse du détecteur a été étudiée, et les effets de la diffusion et du parcours moyen des particules dans le gaz sur la netteté de l'image ont été mesurés et comparés à une simulation. Une résolution spatiale de l'ordre de 400 µm a été obtenue en utilisant une amplification à double étages au sein du détecteur Micromegas<br>Gaseous detectors have demonstrated, over the past decades, their high performance for imaging radioactive particles, achieving spatial resolutions below 100 µm. The scintillating properties of certain gas mixtures, combined with the significant gain of gaseous detectors and the use of a low-noise camera, have enabled the use of scintillation light for imaging. This approach allows for a large detection surface and high spatial resolution while achieving real-time imaging at a low cost per pixel, with low data analysis complexity. The main objectives of this thesis are to optimize the spatial resolution and sensitivity of the detector, either by an "event-by-event" acquisition method with short image acquisition times or by "integration" with long acquisition times.An innovative glass Micromegas detector for optical readout has been developed, taking advantage of the inherently high spatial resolution of the Micromegas detector. The adaptability of the Micromegas detector's gain, due to the avalanche amplification mechanism, allows it to cover a wide range of particle fluxes and energies. During this thesis, imaging measurements were performed using sources with radioactivity levels below one Becquerel and energies of a few keV, up to fluxes characteristic of a synchrotron and a spallation source, with energies exceeding one MeV.The light yield of the detector was studied for different gas mixtures and various gain values under X-ray irradiation to optimize the detector's sensitivity. The homogeneity and precision of the detector's response were characterized by X-ray radiography. The Point Spread Function (PSF) of the optical readout Micromegas was measured using a parallel X-ray beam a few microns thick, generated by synchrotron radiation. This measurement allowed us to determine the detector's spatial resolution for different configurations and to identify and quantify the effects involved. The impact of the micro-mesh and pillars on the detector's scintillation response was also observed and quantified.Two applications were chosen to illustrate the potential of the optical readout Micromegas: autoradiography, for the quantification of very low-activity tritiated samples and high-resolution neutron radiography in highly radioactive environments.Autoradiography and radioactive counting of low-energy beta radiation were performed with tritiated glucose samples. Activities below one Becquerel were measured accurately and simultaneously on a large number of samples, while ensuring precise reconstruction of their position. This work validates the possibility of quantifying the concentration of anticancer drugs at the scale of single tumor cells.Finally, the use of the optical readout Micromegas for neutron imaging was demonstrated using a spallation source which produces thermal neutrons with a flux of approximately 10⁸ n. s⁻¹cm⁻ ² mA⁻¹. The uniformity of the detector's response was studied, and the effects of the diffusion and the mean free path of particles in the gas on image sharpness were measured and compared to a simulation. A spatial resolution on the order of 400 µm was achieved using double-stage amplification within the Micromegas detector

MEMS technology has led to the development of new uncooled infrared imaging detectors. One type of these MEMS detectors consist of arrays of bi-metallic photomechanical pixels that tilt as a function of temperature associated with infrared radiation from the scene. The main advantage of these detectors is the optical readout system that measures the tilt of the beams based on the intensity of the reflected light. This removes the need for electronic readout at each of the sensing elements and reduces the fabrication cost and complexity of sensor design, as well as eliminates the electronic noise at the detector. The optical readout accuracy is sensitive to the uniformity of individual pixels on the array. The hypothesis of the present research is that direct measurements of the height change corresponding to tilt through holographic interferometry will reduce the need for high pixel uniformity. Measurements of displacements for a vacuum packaged detector with nominal responsivity of 2.4nm/K are made with a Linnik interferometer employing the four phase step technique. The interferometer can measure real-time, full-field height variations across the array. In double-exposure mode, the current height map is subtracted from a reference image so that the change in deflection is measured. A software algorithm locates each mirror on the array, extracts the measured deflection at the tip of a mirror, and uses that measurement to form a pixel of a thermogram in real-time. A blackbody target projector with temperature controllable to 0.001K is used to test the thermal resolution of the imaging system. The achieved minimum temperature resolution is better than 0.25K. The double exposure technique removes mirror non-uniformity as a source of noise. A lower than nominal measured responsivity of around 1.5nm/K combined with noise from the measurements made with the interferometric optical readout system limit the potential minimum temperature resolution. Improvements need to be made both in the holographic setup and in the MEMS detector to achieve the target temperature resolution of 0.10K.

A room temperature liquid scintillator time projection chamber has the potential to give both ne grained tracking and calorimetry, analogous to liquid argon, only without the cryogenic infrastructure. This type of detector would be invaluable as a cost effective, large volume detector for use in neutrino physics. This motivates the search for candidate liquids with both excellent charge transport properties and optical properties. This work presents results from tests of five dielectric room temperature liquid scintillators; Di isopropyl naphthalene, Phenyl xylyl ethane, Linear alkyl benzene, Mono isopropyl biphenyl, and Mono isopropyl naphthalene, whose charge transport properties are investigated for the first time. The results are also presented from room temperature liquids Tetramethyl pentane, and Cyclopentane, whose optical properties have not previously been investigated. The liquids tested have shown favourable properties, although none of the above liquids has been found to have both charge transport and scintillation light at a suitable level for use in a neutrino detector.

Deux technologies de liaison optique ont ete considerees pour la lecture de donnees analogiques dans un environnement fortement radioactif : la modulation directe de la source active (une diode laser ingaasp a emission laterale), ou la modulation externe d'un faisceau lumineux par un modulateur a electro-absorption (cavite fabry-perot en inp, utilisee en mode reflectif). Un modele fonctionnel des prototypes de liaison correspondants aux deux solutions alternatives a ete developpe comme support a leur analyse et optimisation. Des procedures de qualification uniformes (et des outils d'evaluation) ont ete developpes pour permettre de determiner les avantages et inconvenients de chaque solution en vue de l'utilisation dans le detecteur cms. Des prototypes correspondants a differentes architectures ou a differentes classes de composants ont ete evalues et compares. Les resultats experimentaux ont constitue un facteur essentiel sur lequel le choix technologique de la collaboration en faveur de la modulation directe s'est base. La liaison optique a une linearite meilleure que 1% et une gamme dynamique instantanee de l'ordre de 1000 : 1 dans une bande passante de 100 mhz. La puissance dissipee et la tolerance aux radiations sont compatibles avec les specifications du detecteur cms, mais impliquent une re-calibration periodique et un fonctionnement proche du seuil du laser. Une gamme dynamique efficace de 800:1 peut etre maintenue tout au long de la vie du detecteur. Une liaison prototype a ete integree dans une chaine de lecture complete, comportant un serialiseur des donnees au niveau du transmetteur et un digitaliseur des donnees au niveau du recepteur (developpes par d'autres groupes). La performance analogique de la chaine a ete optimisee. Sa fonctionnalite a ete demontree grace a l'emulation des signaux du detecteur. Le modele de la liaison optique est exploite pour analyser la dispersion des parametres attendue des 50 000 canaux. La simulation montecarlo est utilisee pour optimiser les specifications des composants, qui seront fixes dans le cour de l'annee 1999.

Gravitational waves are "ripples" in spacetime emitted by massive astrophysical events. Over the past decade, interferometric detectors have been used to measure gravitational waves from the binary mergers of black holes and neutron stars to learn more about such systems; these gravitational waves had frequencies around 100 Hz. Other frequencies of gravitational waves are thought to exist and contain valuable information but are yet to be detected. For example, detecting kilohertz (1–4 kHz) gravitational waves from binary neutron-star mergers could be used to further constrain the neutron-star equation-of-state and better understand exotic states of matter. However, to do so, the sensitivity of current detectors will need to be extended from 100 Hz to the kilohertz regime. The kilohertz sensitivity of current gravitational-wave detectors is limited by quantum noise from the fundamental quantum uncertainties in the state of light inside the detector. This noise can be mitigated by replacing the vacuum fluctuations entering the readout port of the detector with squeezed states. In this thesis, I investigate a new technique to improve kilohertz sensitivity by placing a nondegenerate squeezer inside the detector. This technique, called nondegenerate internal squeezing, improves sensitivity by amplifying the detector's response to the gravitational-wave signal more than it increases the quantum noise. To assess its feasibility, I derive an analytic Hamiltonian model of nondegenerate internal squeezing and calculate its sensitivity and stability as well as analyse its tolerance to the realistic optical losses expected in a future gravitational-wave detector. My model indicates that nondegenerate internal squeezing is stable, robust to detection loss in the readout, and provides a viable alternative to other proposals to improve kilohertz sensitivity. I demonstrate a technique to determine its squeezing threshold and, therefore, the limits of its operation. I find that nondegenerate internal squeezing could feasibly improve the sensitivity of a future detector to 1–4 kHz gravitational waves. I also explore an alternative readout scheme that is promising for broadband 0.1–4 kHz sensitivity.