Histoires de réussite

Ajouter une nouvelle dimension à la détection de la lumière

Jean-François Pratte and Frédéric Vachon, foreground, working in a laboratory
Des détecteurs ultrasensibles dont la fonction est de saisir des signaux lumineux ont été mis au point par le professeur Jean-François Pratte et son équipe de l’Université de Sherbrooke, notamment Frédéric Vachon, au premier plan. Ces dispositifs font progresser la puissance et le perfectionnement d’un vaste éventail de technologies d’imagerie, allant des appareils de tomographie par émission de positrons (TEP) aux projets scientifiques de grande envergure comme la détection de neutrinos.

La matrice de photo-détection couramment embarquée sur une caméra de téléphone cellulaire est constituée de millions de pixels, chacun d’entre eux saisissant des signaux lumineux pouvant être rapidement traités en images numériques cohérentes. Même si cet exploit quotidien demeure impressionnant, ce n’est que le début de ce que Jean-François Pratte veut accomplir.

Le professeur Pratte, de la faculté de génie électrique et informatique de l’Université de Sherbrooke, a conçu des capteurs avec des systèmes de traitement qui peuvent calculer la durée de la trajectoire de particules individuelles de lumière, appelées photons. Il en résulte une détection de l’ordre de la picoseconde—un millionième de microseconde—qui constitue les fondements d’une nouvelle génération d’applications de cette technologie.

« Non seulement nous pouvons détecter un photon à la fois, mais nous sommes aussi en mesure de déterminer le moment exact de sa détection », précise-t-il.

Au cœur de ce microsystème se situent les diodes avalanche à photon unique (SPAD), qui sont issues de l’un des domaines phares du laboratoire de recherche de Sherbrooke, à savoir la tomographie par émission de positrons (TEP). Cette technologie médicale sophistiquée de balayage permet de détecter les infimes traces de rayonnement gamma émis par les molécules radioactives qui ont été injectées au préalable dans l’organisme du patient, pouvant ainsi produire des données sur le métabolisme des tissus avoisinants. Même si ces signaux sont issus de très petites doses d’un traceur radioactif, la sensibilité d’une matrice SPAD peut transformer en temps réel ces minuscules unités de données en images extrêmement précises.

Le professeur Pratte et ses collègues se s’ont inspirés de cette fonctionnalité puissante pour l’appliquer à d’autres applications.

« Des microsystèmes pourraient être conçus pour fonctionner sans alimentation électrique ou presque, en attente d’un photon, ce qui rend cette technologie très intéressante pour les détecteurs à grande surface pour l’étude des particules en physique », avance-t-il.

« Non seulement nous pouvons détecter un photon à la fois, mais nous pouvons déterminer le moment où cela s’est produit ».

À titre d’exemple, il met l’attention sur des expériences ambitieuses conçues pour étudier les neutrinos, des astroparticules insaisissables. Des expérimentations à grande échelle ont été aménagées dans des installations sous-terraines, tel que la Snolab à Sudbury (Ontario), qui est protégée contre les rayonnements cosmiques. Il est essentiel d’étudier les neutrinos à l’intérieur de cette expérimentation, sachant ces derniers peuvent se révéler quelques douzaines de fois pendant une année donnée.Ces rencontres rares et fugaces exigent l’emploi de matrices de photo-détection dont la surface est de l’ordre de quelques mètres carrés à des centaines de mètres carrés. On peut s’amuser à comparer ces surfaces à la dimension du capteur de la caméra de votre téléphone intelligent !

La clé du succès de son travail réside dans la mise au point d’un convertisseur photonique numérique basé sur un SPAD tridimensionnels. Dans les systèmes bidimensionnels actuels, les circuits électroniques et le SPAD sont placés côte à côte sur une seul couche, limitant le transfert d’électrons et les capacités de photo-détection. Sa version tridimensionnelle intègre des composantes électroniques et un capteur photonique empilés l’un sur l’autre, afin d’annuler leurs concurrence. « il n’existe pas de compromis entre la taille du détecteur et la fonctionnalité électronique », explique-t-il.

L’installation des convertisseurs 3D photonique numérique dans un appareil de balayage PET produit des images plus contrastées à l’aide de doses moins élevées de radiotraceur, confirme-t-il. « Ceci permet d’utiliser ce matériel plus efficacement et plus rapidement, ce qui réduit les temps d’attente des patients dans le réseau de la santé ». En 2018, les travaux du professeur Pratte ont été reconnus par l’attribution du prestigieux prix de l’IEEE pour le prix prestigieux de début de carrière portant sur l’instrumentation de rayonnement.

CMC a facilité ses travaux sur les convertisseurs photoniques numériques 3D en donnant accès à des logiciels très efficaces et à des services de fonderie de circuits nécessaires à la conception et à la fabrication de ce type de système.

« Sans leur appui en fabrication de circuits intégrés, les chercheurs canadiens ne pourraient rivaliser avec les autres équipes de recherche dans le monde », affirme le professeur Pratte, qui reconnaît également que CMC encourage grandement les éléments de talent qui œuvrent dans son laboratoire. Selon lui, le concours TEXPO organisé par CMC est particulièrement utile pour aider les chercheurs individuels à perfectionner leurs compétences en matière de recherche, de prototypage et de présentation.

« C’est une expérience très bénéfique de participer à ce concours devant un jury très rigoureux, composé de professeurs les plus influents et d’experts de l’industrie. C’est aussi une excellente occasion pour les jeunes chercheurs de prospérer. »

Crédit photo : Reinier deSmit 

octobre 2019

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