Characterisation and modelling of the interaction between sub-Kelvin bolometric detectors and cosmic rays

par Samantha Lynn Stever

Thèse de doctorat en Astronomie et Astrophysique

Sous la direction de Bruno Maffei et de François Couchot.

Le président du jury était Laurent Verstraete.

Le jury était composé de Bruno Maffei, François Couchot, Laurent Verstraete, Denis Bernard, Matt Griffin, Anne Ealet, Michel Piat, Hervé Geoffray.

Les rapporteurs étaient Denis Bernard, Matt Griffin.

  • Titre traduit

    Caractérisation et modélisation de l'interaction entre les détecteurs bolométriques sub-Kelvin et les rayons cosmiques


  • Résumé

    Nous avons étudié l'effet des rayons cosmiques dans les détecteurs en utilisant un bolomètre de germanium composite NTD à basse température, et une source de particules alpha comme source générique d'impulsions. Nous avons caractérisé ce bolomètre en constatant que la forme de son impulsion était due à la combinaison de sa réponse impulsionnelle (la somme de deux exponentielles doubles), et des effets liés à la position découlant de la thermalisation des phonons balistiques en phonons thermiques dans son absorbeur. Nous avons établi un schéma décrivant la forme de l'impulsion dans ce bolomètre en comparant une impulsion mathématique générique à une seconde description basée sur la physique thermique. Nous constatons que la thermalisation des phonons balistiques, suivie de la diffusion thermique, jouent un rôle important dans la forme de l'impulsion, en parallèle avec le couplage électrothermique et les effets électriques dépendant de la température. Nous avons modélisé les impulsions en observant que leur comportement peut être reproduit en tenant compte de la réflexion de phonons balistiques sur le bord de l’absorbeur, avec un couplage thermique fort au capteur central du bolomètre. Compte tenu de ces résultats, nous étudions également les effets des rayons cosmiques sur l’instrument Athena X-Ray Integral Field Unit (X-IFU), en produisant des timelines simulées et en testant la hausse de la valeur moyenne de la température (RMS) sur la plaquette du détecteur. Nous montrons que le flux thermique attendu des rayons cosmiques est au même ordre de grandeur que le maximum autorisé ΔTRMS ce qui constitue une menace sur le budget de la résolution énergétique de l'instrument.


  • Résumé

    We have studied the effect of cosmic rays in detectors using a composite NTD germanium bolometer at low temperatures and an alpha particle source as a generic source of pulses. We have characterised this bolometer, finding that its pulse shape is due to a combination of its impulse response function (the sum of two double exponentials), and position-dependent effects arising from thermalisation of ballistic phonons into thermal phonons in its absorber. We have derived a scheme for describing the pulse shape in this bolometer, comparing a generic mathematical pulse shape with a second description based on thermal physics. We find that ballistic phonon thermalisation, followed by thermal diffusion, play a significant role in the pulse shape, along with electro-thermal coupling and temperature-dependent electrical effects. We have modelled the pulses, finding that their behaviour can be reproduced accounting for ballistic phonon reflection off the absorber border, with a strong thermal coupling to the bolometer’s central sensor. With these findings, we also investigate the effects of cosmic rays on the Athena X-Ray Integral Field Unit (X-IFU), producing simulated timelines and testing the average RMS temperature increase on the detector wafer, showing that the expected cosmic ray thermal flux is within the same order of magnitudeas the maximum allowed ΔTRMS, posing a threat to the instrument’s energy resolution budget.


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