Les lignes de rayonnement synchrotron sont capables de focaliser un faisceau X à moins d’une dizaine de microns voire beaucoup moins maintenant sur les lignes longues comme Nanoscopium. Ces lignes ont besoin d’être équipées de diagnostics rapides permettant de mesurer à la fois le flux et la position du faisceau, assurant ainsi la stabilité de leur faisceau et la normalisation de la collecte de données avec l’intensité du faisceau.
Ces détecteurs appelés XBPM (X-ray Beam Position Monitor) ont été ont développés pour différentes lignes synchrotron dans le monde (Photodiodes en Si, Détecteur à feuille diffusante, …) et particulièrement à SOLEIL, où le groupe Détecteurs, en collaboration avec le laboratoire Diamant du CEA LIST, a mis en place des XBPMs à base de diamant. Ces détecteurs composés d’un diamant de 50 µm d’épaisseur avec une zone active d’environ 4mm sont actuellement utilisés sur les lignes X-durs et permettent de résoudre la position du faisceau à moins de 1 µm rms à 1kHz (cf. Highlights SOLEIL 2012). Afin de répondre à la problématique spécifique des lignes de lumière utilisant un rayonnement dit X-tendres (< 5 keV) comme la ligne SIRIUS de SOLEIL, et d’obtenir les mêmes performances de détection sur ce domaine d’énergie, un développement d’XBPM diamant dit ultra-mince de 3 à 4 µm (fig. 1) a été entrepris.
Figure 1 : Transmission d’une membrane de 3µm de Diamant
Une membrane de diamant auto supportée de 3 µm d’épaisseur a ainsi été réalisée par une technique de gravure Argon-Oxygène sur une surface de 2mm² au centre d’un diamant monocristallin préalablement poli à 60µm (Fig 2.a). Une couche mince d’Aluminium a été déposée sur chaque face de cette membrane et une technique classique de photolithographie a été utilisée afin de réaliser la structure fine en 4 quadrants (Fig 2.b). Le détecteur diamant a ensuite été monté sur un support céramique et câblé afin de pouvoir lire les 4 courants correspondants à l’interaction du rayonnement X avec chaque quadrant du diamant.
Figure 2 : Membrane auto-supportée de XBPM scCVD Diamond :
(a) Membrane de 3 µm scCVD Diamond, entourée de 55 µm de diamant
(b) Déposition et photolitographie de 4 quadrants de 200 d’Al
(c) Montage et câblage du détecteur sur un support céramique.
L’intensité du rayonnement X est ainsi donnée par la somme des 4 courants et la position dans les deux directions (X et Y) par la reconstruction du centre de gravité.
Ce détecteur a été installé et testé en sortie du monochromateur de la ligne SIRIUS. La mesure des courants montre une efficacité de collection de charges proche de 100% et une sensibilité en intensité de détecteur diamant meilleur que 0.02 % (figure 3a, suivi du TOP-Up de la machine). Ce détecteur peut ainsi être utilisé comme détecteur absolu de flux de photons.
Figure 3 :
(a) Mesure d’intensité du XBPM
(b) Mesure de position
La résolutions spatiale mesurée est meilleure que le micron et est illustrée dans la figure 3.b où l’on visualise la reconstruction en position du faisceau lors d’un mouvement du XBPM de 1 µm et pour une vitesse d’acquisition de 100, 10 et 1ms.
Ainsi et pour la premières fois, un XBPM diamant ultra mince de 3 µm a été installé et répond aux attentes des lignes X-tendres. Le détecteur a une résolution inférieure au micron avec seulement 3 % d’absorption à 4 keV. Ce XBPM est très performant mais sa réalisation reste très complexe et délicate. Une précaution doit être prise notamment dans le choix du diamant (défauts internes) et dans la qualité de polissage (Tolérance en épaisseur < 1µm et parallélisme < 0.5 µm).