Caractérisation de détecteurs CdTe Schottky pour la Caméra X/Gamma d'ECLAIRs

par Nadège Remoue

Thèse de doctorat en Techniques spatiales et instrumentation pour l'astrophysique

Sous la direction de Didier Barret.

Soutenue en 2010

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    Cette thèse est consacrée à la caractérisation de détecteurs solides à semi-conducteur de Tellurure de Cadmium (CdTe) pour une application d'astrophysique spatiale des hautes énergies. De dimension 4*4*1 mm3, avec un contact Schottky à l'anode, ils formeront le plan de détection (1024 cm²) de la Caméra X/Gamma d'ECLAIRs. ECLAIRs est l'instrument central de la future mission Sino-française SVOM dédiée à l'étude des sursauts gamma, un phénomène violent de haute énergie ayant lieu à des distances cosmologiques. ECLAIRs sera sensible de 4 à 250 keV. Les instruments actuels utilisant du CdTe, tels que BAT sur Swift ou ISGRI sur INTEGRAL, présentent un seuil bas de ~15 keV qui limite la détection des sursauts les plus mous, qui sont potentiellement les plus lointains. ECLAIRs relève le défi de détecter les photons à partir de 4 keV, en associant une électronique de lecture bas bruit aux diodes CdTe polarisées en inverse. Un tel objectif ne saurait être atteint sans une connaissance approfondie des détecteurs utilisés. C'est l'objet de cette étude. Des mesures systématiques sont réalisées sur les détecteurs avant de les monter par 32 en modules élémentaires de détection. L'objectif de ces tests est de sélectionner les 6400 détecteurs du modèle de vol, parmi plus de 12000 unités. Diverses populations de détecteurs ont été mises en évidence. Une analyse des résultats, complétée par des tests dédiés, permet d'expliquer les comportements particuliers. La population principale, qui compte aujourd'hui ~79% des détecteurs testés, répond à des critères qui sont optimum pour l'application d'ECLAIRs. Cependant, les détecteurs CdTe Schottky souffrent d'instabilités réversibles qu'il est important de prendre en compte. Elles peuvent être atténuées et ralenties par une température de fonctionnement basse et une tension de polarisation élevée, typiquement -20°C et -600 V. Afin d'anticiper la réponse spectrale du plan de détection, des simulations Monte-Carlo utilisant l'outil Geant4 ont été effectuées. Un modèle du module élémentaire de la caméra a donc été développé en parallèle des mesures. A basse énergie, les événements multiples entre pixels voisins est quasi nul et la rétrodiffusion inexistante. Ces taux augmentent avec l'énergie et créent des raies caractéristiques dans les spectres. Finalement, au regard de cette étude, des essais à réaliser sur les modules élémentaires de détection sont présentés.

  • Titre traduit

    Characterization of Schottky-type CdTe detectors for the ECLAIRs X- and Gamma-ray camera


  • Résumé

    This work reports on the study of Cadmium Telluride (CdTe) solid state semiconductor detectors, for a space application in high energy astrophysics. With a Schottky contact at the anode and dimensions of 4*4*1 mm3, they will make up the detection plane (1024 cm²) of the ECLAIRs X- and Gamma-ray Camera. ECLAIRs is the main instrument of the upcoming Chinese-French mission SVOM dedicated to the study of gamma-ray bursts, violent and highly energetic phenomena which occur at cosmological distances. ECLAIRs will be sensitive from 4 to 250 keV. Current instruments using CdTe detectors, such as BAT for Swift or ISGRI on board INTEGRAL, show a low threshold of ?15 keV, which limits the detection of the softest bursts, most likely the most distant ones. ECLAIRs takes up the challenge to detect photons from 4 keV, by associating low noise readout electronics to the CdTe diodes polarized in reverse mode. Such an objective requires an in-depth knowledge of the detectors used. This is the subject of this research. Systematic measurements are performed on the detectors before mounting on elementary detection modules. The goal of these tests is to select the 6400 flight-model detectors, out of 12000 units. Several populations of detectors have been identified. The analysis of the results, together with dedicated tests, enables us to explain peculiar behaviours. The main population, which includes ?79% of the detectors tested at the moment, fulfils criteria which are optimum for ECLAIRs. However, CdTe Schottky detectors suffer from reversible instabilities, which have to be taken into account. Their effect can be reduced and slowed down by lowering the operating temperature and using high reverse bias voltage, typically -20°C and -600 V. In order to compute the spectral response of the detection plane, Monte-Carlo simulations using the Geant4 toolkit have been developed. A model of the elementary module of the camera has been set up, and the results compared to the measurements. At low energy, the charge sharing between neighbouring pixels is close to zero and the backscattering is negligible. These rates increase with energy, imprinting peaks at well defined energies in the spectra. Finally, following this study, tests to be performed on the elementary detection modules are presented.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (159 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 153-159

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2010 TOU3 0350
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