Study and modelling of the new generation Cd(Zn)Te X and gamma-ray detectors for space applications

par Bob Petrus Franciscus Dirks

Thèse de doctorat en Astrophysique

Sous la direction de François Lebrun.

Soutenue en 2006

à Paris 7 .

  • Titre traduit

    Etude et développement des nouveaux détecteurs Cd(Zn)Te pour la spectro-imagerie X et gamma pour des applications spatiales


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  • Résumé

    La communauté scientifique d'astrophysique a besoin d'un nouvel instrument pour approfondir sa connaissance sur l'origine du fond cosmique de rayon X, la physique des trous noirs et les mécanismes d'accélération de particules dont l'énergie s'étend entre 0. 5 et 80 keV. Les instruments existants comme Chandra et XMM-Newton montrent des résultats excellents jusqu'à -10 keV, mais la sensibilité n'est plus suffisante au-dessus de cette valeur. Afin de conserver les mêmes performances jusqu'à -80 keV, ou de les améliorer, des miroirs en incidence rasante avec une grande longueur focale (>20 m) devraient être employés. Etant donné que des satellites de cette taille ne peuvent pas être mis en orbite avec les lanceurs existants, le miroir et le détecteur doivent être placés sur deux satellites différents volant en formation. La mission spatiale, Simbol-X, sera le premier projet de ce type. Une sensibilité élevée à 80 keV exige non seulement une grande longueur focale, mais également une unité de détection avec une résolution spatiale élevée, ainsi que des détecteurs encore efficaces à ces énergies relativement élevées. Le CEA/Saclay/DAPNlA développe cet élément crucial pour Simbol-X. L'imageur se compose de plusieurs modules. Ceux-ci sont composés de différentes mini-caméras X, qui sont une hybridation de l'électronique de lecture dédiée et des cristaux Cd(Zn)Te semiconducteurs. L'ensemble doit pouvoir détecter efficacement des photons jusqu'à 80 keV avec une résolution d'énergie de ~1. 3 keV (FWHM) à 68 keV. En outre, le cristal doit être équipé de petits pixels (0. 5x0. 5 mmA2) pour atteindre la résolution spatiale désirée de 15 arcsec. Afin d'atteindre une bonne sensibilité et résolution d'énergie, il est obligatoire de combiner une électronique de lecture en bruit ultra-bas, avec des cristaux semi-conducteurs de haute qualité. L'électronique de lecture, baptisée IDeF-X (Imaging Détecter Front-end for X-rays), est également développée par le CEA/Saclay. Une connaissance complète de son fonctionnement ainsi que sa caractérisation font parties de ce travail. Les performances spectroscopiques du détecteur sont directement liées au bruit de l'électronique. Les caractéristiques du bruit de l'ASIC sont donc examinées en détail en fonction de la capacité d'entrée et du courant, deux sources importantes de bruit. Puisque l'ASIC est fait pour être couplé de façon DC aux cristaux, la connaissance des courants de fuite des détecteurs Cd(Zn)Te multi-pixels est très importante. J'ai développé un circuit électronique qui permet une mesure précise des courants de fuite très faibles, par pixel (~10A-12 A) dans les détecteurs Cd(Zn)Te 64 pixels. Des cartes de courants sont présentées pour différents détecteurs dans des conditions diverses de fonctionnement. D'ailleurs, la relation entre le courant et la température permet également d'obtenir des cartes d'énergie d'activation des impuretés à l'intérieur du cristal. En outre, le circuit est un outil pour étudier les propriétés mécaniques des contacts entre pixel et substrat. Des spectres d'énergie sont acquis avec quatre puces IDeF-X V1. 0 (16 canaux) complètement opérationnelles, connectées à différents cristaux CdTe et CdZnTe (64 pixels). Les résultats donnent les conditions opérationnelles optimales pour obtenir la meilleure résolution d'énergie à 60 keV (source 241 Am). Pour un détecteur CdTe avec un pixel (360 V bias, 22°C) une excellente résolution d'énergie de 1 keV (FWHM) est obtenue. Cette valeur a également été réalisée par plusieurs pixels d'un détecteur CdTe avec 64 pixels en indium découpé (400 V bias, -18°C). Afin de mieux comprendre le comportement et de prévoir la performance des détecteurs, j'ai construit une chaîne de simulation complète. Elle commence par les interactions de particules à l'intérieur du cristal et la simulation continue jusqu'à la sortie de l'électronique de lecture. Je combine GEANT4 pour simuler différentes interactions à l'intérieur du Cd(Zn)Te et MGS-CdTe V1. 0 pour simuler la création des porteurs de charge, le transport, les effets de piégeage et l'induction des signaux sur les électrodes. Par convolution de ces signaux avec la fonction de réponse d'impulsion numérique d'IDeF-X V1. 0, une réponse complète du détecteur est produite. La comparaison entre les spectres simulés et les mesures montre un excellent accord. GEANT4 et MGS-CdTe sont également employés individuellement pour étudier les différents paramètres du détecteur. Ceux-ci incluent la taille du nuage de charge après une interaction, la multiplicité des interactions et l'efficacité de la détection. La chaîne de simulation est un outil puissant pour prévoir la forme du signal, les interférences entre les pixels et la stratégie de lecture pour la mission Simbol-X.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (150 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : 35 réf.

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  • Cote : TS (2006) 048

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