Étude et modélisation de l’interaction des particules cosmiques avec les détecteurs cryogéniques de l'astronomie submillimétrique et X

par Antoine Miniussi

Thèse de doctorat en Sciences de l'Univers

Sous la direction de François Pajot.

Soutenue le 05-10-2015

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine) , en partenariat avec Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) , Institut d'astrophysique spatiale (Orsay, Essonne) (laboratoire) et de AstroParticule et Cosmologie (Paris) (laboratoire) .

Le président du jury était Hervé Dole.

Le jury était composé de François Pajot, Hervé Dole, Yannick Giraud-Héraud, Simon Bandler, Henk Van Weers.

Les rapporteurs étaient Philippe Laurent, Cécile Renault.


  • Résumé

    Les particules cosmiques sont émises par différentes sources galactiques et sont composées de protons et de noyaux d'hélium. Ces éléments interagissent avec les matériaux et y déposent leur énergie par interaction nucléaire. L'instrument Planck/HFI a observé le ciel depuis l'espace dans le but de cartographier le fond diffus cosmologique. Pour cela, HFI embarque un plan focal refroidit à 100 mK composé de 54 bolomètres. Le flux de particules cosmiques, interagissant avec les composants des détecteurs (thermomètre, grille, wafer), chauffe ponctuellement les capteurs (glitches) ce qui entraine une dégradation du signal scientifique. Leur étude a révélé un autre effet thermique caractérisé par un chauffage global du plan focal de l'ordre du microkelvin, les High Coincidence Events (HCE). Deux familles de HCE ont été isolées dans les données : les rapides, générés par des gerbes de particules secondaires formées dans les couches externes du satellite et interagissant avec l'ensemble de l'instrument HFI ; les lents, généré par la vaporisation d'hélium formant un lien thermique ponctuel entre le plan focal et l'étage à 1,6 K lui faisant face. L'exposition d'une matrice de bolomètres TES à une source de particules α a démontré une réponse similaire mais également des glitches simultanés entre les pixels.Ces recherches démontrent que les particules cosmiques et les gerbes de particules doivent être étudiées afin d'éviter des effets thermiques prédominant. Le développement des prochaines générations de détecteurs, devront ainsi prendre en compte ces interactions indissociables d'une mission spatiale et s'en prémunir.

  • Titre traduit

    Study and modeling of cosmic ray interaction with cryogenic detectors for submillimeter and X-ray space astronomy


  • Résumé

    Cosmic rays are emitted from different galactic sources and consist of protons and helium nuclei. These elements interact with matter and deposit part of their energy by nuclear interaction.The Planck/HFI instrument observed the sky from space to map the Cosmic Microwave Background. For this purpose, HFI has a focal plane cool down to 100 mK and composed of 54 bolometers. The interactions of the cosmic ray flux with the detectors' components (thermometer, grid and wafer) heat up regularly the sensor (glitches) which leads to a degradation of the scientific signal. Studying them revealed another thermal effect characterized by a thermal increase of the entire focal plane up to the microkelvin range, the High Coincidence Events (HCE).Two HCE famillies were separated: the fast ones, generated by cosmic ray showers developed in the external layers of the satellite and interacting with the entire HFI instrument and the slow ones, generated by the vaporisation of helium forming a ponctual thermal link between the focal plane and the 1.6 K stage facing it.Exposure of a TES bolometer matrix to an α particules source showed a similar response but also simultaneous glitches on several pixels. This work demonstrates that cosmic rays and particle showers on next low temperature experiments has to be studied to prevent predominating thermal effects from it. The developpement of futur space experiments will have to take these interactions into account to elimiate them from data.


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