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


  • 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.


  • Résumé

    The scientific astrophysics community needs a new instrument to gain more insight in the origin of the cosmic X-ray background, the physics of black holes and particle acceleration mechanisms in the energy range between 0. 5 to 80 keV. Existing instruments like Chandra and XMM-Newton show very good results up to -10 keV but lack sufficient sensitivity above this value. In order to keep or improve the same performances up to -80 keV, grazing incidence mirrors with a large focal length of at least 20 m should be used. Since satellites this big cannot be launched with existing launchers, the mirror and detecter must be placed on two different satellites flying in formation. The Simbol-X space mission will be the first project of this type. A high sensitivity at 80 keV requires not only a long focal length but also a detection unit with high spatial resolution, using detectors that are still efficient at these relatively high energies. CEA/Saclay/DAPNIA is developing this crucial element for the Simbol-X space mission. The imager consists of several modules, each built from individual X-ray mini-cameras. A single camera is a hybridization of custom read-out electronics connected to a Cd(Zn)Te semiconductor crystal. The ensemble must be able to efficiently detect photons of up to 80 keV with an energy resolution of -1. 3 keV (FWHM) at 68 keV. Furthermore it must be equipped with small pixels (0. 5x0. 5 mmA2) to attain the desired spatial resolution of 15 arcsec. In order to reach a good sensitivity and energy resolution, ultra-low noise read-out electronics in combination with high-quality semiconductor crystals are mandatory. The read-out electronics, baptized IDeF-X (Imaging Detector Front-end for X-rays), is also developed by CEA/Saclay. A thorough understanding of its functioning as well as its testing forms a part of this work. The spectroscopic performances of the detecter are directly related to thé electronics noise. The noise characteristics of the ASIC are therefore examined in detail as a function of the input capacitance and current, two important sources of noise. Since the chip is designed to be DC coupled to the crystals, knowledge of the leakage current (per pixel) inside multi-pixel Cd(Zn)Te detectors is very important. I developed an electronic circuit which allows an accurate measurement of the very low leakage currents per pixel (~10A-12 A), in 64 pixels Cd(Zn)Te detectors. Current maps are presented of different detectors at various operating conditions. Moreover, the relation between the current and temperature also allows obtaining activation energy maps of the impurities inside the crystal. In addition, the circuit is a tool to study the mechanical properties of the pixel-substrate contacts. With four fully operational 16-channels IDeF-X V1. 0 ASICs connected to different 64 pixels CdTe and CdZnTe crystals, energy spectra are taken. From the results, optimal operation conditions (bias voltage, peaking time, temperature) are obtained to get the best energy resolution of thé 60 keV energy peak of 241 Am. For a single pixel CdTe Schottky detecter (360 V bias, 22°C) an excellent energy resolution of 1 keV (FWHM) is obtained. This value has also been achieved by several individual pixels of a 64 pixels indium diced CdTe detecter (400 V bias, -18°C). In order to better understand thé detecter behaviour and to predict detecter performances, I constructed a full simulation chain. It starts with the particle interactions inside the crystal and continues the simulation up to the output of the read-out electronics. I combine GEANT4, to simulate individual interactions inside Cd(Zn)Te, and MGS-CdTe V1. 0 to simulate charge carrier creation, transport, trapping effects and signal induction on the electrodes. By convolving these signals with the (numerical) impulse response function of IDeF-X V1. 0, a complète detecter response is generated. Simulated spectra are compared with measurements and show excellent agreement. GEANT4 and MGS-CdTe are also used separately to study different parameters related to the detecter functioning. These include the size of the charge cloud after an interaction, event multiplicity and detection efficiency. The simulation chain serves as a powerful tool to predict signal shape, cross-talk between pixels and read-out strategy for the Simbol-X mission.

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Informations

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

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  • PEB soumis à condition
  • Cote : TS (2006) 048

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  • PEB soumis à condition
  • Cote : (043) DIR
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