Caractérisation des modules de détection de la caméra ECLAIRs pour la mission SVOM

Varacterizing the detection module paving the ECLAIRs camera for the SVOM gamma-ray buts mission

• Auteur / Autrice : Guillaume Nasser
• Direction : Olivier Godet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique
• Date : Soutenance le 29/09/2015
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télédétection

Sursauts gamma

Mots clés libres

Instrumentation

ECLAIRs / SVOM

Détecteurs CdTe Schottky

Caméra à masque codé

Semiconducteurs

Electronique

Sursauts gamma

ASIC

Résumé

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la mission Sino-française SVOM (Space-based multi-band Variable Object Monitor) dédiée à l'étude des sursauts gamma à l'horizon 2020. Ces explosions cosmologiques très intenses apparaissent aléatoirement sur le ciel comme des bouffées de photons très brèves (de quelques milli-secondes à quelques minutes). Ils sont engendrés par la formation catastrophique de trous noirs dans le cœur de certaines étoiles massives en effondrement gravitationnel ou par la coalescence de deux objets compacts et se caractérisent par de puissants jets ultra-relativistes orientés vers la Terre. SVOM permettra d'étudier la nature des progéniteurs, les mécanismes d'accélération des particules et les processus d'émission associés, la géométrie des jets et leurs compositions. Le satellite implémentera une charge utile multi-longueur d'onde dont le cœur sera la caméra grand-champ à masque codé, ECLAIRs, en charge de la détection et de la localisation des sursauts gamma entre 4 et 150 keV. Ma thèse a pour objectif de caractériser les performances scientifiques des modules de détection XRDPIX (i.e. un hybride de 8x4 détecteurs couplés à une électronique bas bruit) qui paveront le plan de détection, DPIX, de la caméra. Pour ce faire, je discute ma méthodologie pour caractériser les impacts des paramètres instrumentaux sur les performances des XRDPIX en me basant sur les résultats des nombreuses campagnes de tests que j'ai menées sur plusieurs modules au moyen d'un banc de test vide-thermique dédié et de sources radioactives. J'étudie la contribution des différentes sources de bruit en développant un modèle me permettant de contrôler la qualité du processus d'hybridation des détecteurs avec leur électronique de proximité. Je délimite la zone de fonctionnement optimale pour le vol des modules de détection en étudiant statistiquement l'impact des différents paramètres instrumentaux sur leur bruit et leur efficacité de comptage. Je mets en évidence l'apparition de comportements instables sur quelques voies dans certaines configurations. Je discute le protocole expérimental mis en place pour caractériser la nature de ces instabilités ainsi que les solutions envisagées. J'optimise les critères de sélection des détecteurs pour le modèle de vol à partir de mesures spectroscopiques et de courant de fuite effectuées sur une population de 12000 détecteurs. Finalement, je présente les résultats d'essais réalisés à l'accélérateur TANDEM pour caractériser l'impact des particules chargées (protons de 20 MeV et particules alpha de 30 MeV) sur la chaine électronique d'ECLAIRs.

Gamma-ray bursts (GRBs) are short and very intense flashes of X-/gamma-ray photons lasting from few milliseconds to hundreds of seconds appearing randomly over the sky. These cosmological events are thought to be due to the catastrophic formation of newly formed black holes following the collapse of some massive stars or after the coalescence of two compact objects and resulting in the launch of powerful ultra-relativistic jets orientated towards the Earth. The Sino-French mission SVOM (Space-based multi-band Variable Object Monitor) is dedicated to the study of these extreme and fascinating transient events and expected to be launched in 2020s. The satellite will implement a multi-wavelength science payload amongst which the core will be the large-field coded-mask camera ECLAIRs in charge of the detection and the localisation of GRBs in the 4-150 keV range. The ECLAIRs detection plane, DPIX, is made of 80x80 Schottky CdTe semi-conductor detectors and the front-end electronics. During my PhD, I mainly worked on the characterization of the scientific performance of the elementary detection modules called XRDPIX (i.e. a hybrid made of 8x4 detectors coupled with a low-noise ASIC) that will paved the DPIX. The main goal is then to derive the best suitable choice of the instrumental parameters in order to optimize the camera in-flight performance. In the manuscript, I discuss the methodology I used to explore the instrument parameter space. I describe the various testing protocoles that I created and the different tests that I performed using several XRDPIX modules in a thermal-vacuum chamber and irradiated with radioactive sources. I discuss in detail the results and the various observables that I used to define the optimal in-flight operating zone of the detection plane. I also study the contribution of the different noise sources coming from the detectors and the electronic chain with a model I designed in order to control the quality of the hybridization process. I also highlight evidence for instable behaviors of some XRDPIX channels. I describe the experiments performed in order to investigate their nature and I discuss the possible solutions to mitigate their impacts of the overall XRDPIX performance. Finally, I study the impact of particles on the ECLAIRs X/?-ray camera electronic chain.