Optimisation de têtes de détection pour mesurer les protons et électrons des ceintures de radiations terrestres dans une gamme en énergie étendue

Optimization of detection heads to measure protons and electrons from radiation belts of the Earth in a wide energy range

• Auteur / Autrice : Marine Ruffenach
• Direction : Sébastien Bourdarie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Sciences de l'Espace, Planétologie
• Date : Soutenance le 30/09/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Physique spatiale et instrumentation (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et recherches aérospatiales. Département Physique, Instrumentation, Environnement, Espace (DPHY) (Toulouse, Haute-Garonne)
• Jury : Président / Présidente : Benoît Lavraud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Bourdarie, Benoît Lavraud, Rubén Garcia Alia, Philippe Laurent, Carine Briand, Laurent Dusseau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rubén Garcia Alia, Philippe Laurent

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrons

Protons

Mots clés libres

Tête de détection

Timepix

Geant4

Monte-Carlo

Ceintures de radiations

Réseau de neurones

Detection head

Timepix

Geant4

Monte-Carlo

Radiation belts

Neural network

Résumé

Les ceintures de radiation terrestres constituent un environnement radiatif naturel très dynamique, hostile aux satellites artificiels. Elles sont essentiellement composées d'électrons et de protons énergétiques (respectivement 10 keV-7 MeV et 10 keV-700 MeV). L'étude de cet environnement se prolonge depuis le début de l'ère spatiale afin de définir des spécifications de niveau de radiation reçu par les engins spatiaux au plus juste. Les mesures in-situ constituent donc un élément clé pour améliorer notre connaissance de ce milieu hostile. Le département DESP de l'ONERA, a participé à l'élaboration d'un moniteur de radiation avec le CNES, ICARE (Influence sur les Composants Avancés des Radiations dans l'Espace). Ce moniteur est toutefois trop lourd, trop encombrant et affiche une consommation trop élevée pour pouvoir être embarqué sur un Cubesat. De son côté le département IES de l'université de Montpellier a une forte expérience pour la définition et l'intégration de Cubesat à travers son CSU. Le but de cette thèse est donc de développer un moniteur de radiation léger, de faible encombrement, et de consommation compatible avec une plateforme Cubesat. Le challenge sera de mesurer un champ mixte d'électron et proton avec un capteur miniature. Le choix se portera sur un capteur Medipix, un détecteur composé de pixels hybrides silicium développé par le CERN. La thèse comportera plusieurs étapes clés. Une première consistera à simuler la réponse du capteur Medipix dans un champ mixte à partir d'un code de transport de particules chargées, GEANT-4. A partir de ces résultats théoriques il faudra proposer une stratégie d'utilisation du capteur. Celui-ci comporte une électronique particulièrement versatile qui autorise un grand nombre de méthodes d’acquisitions par pixels ou par groupes. Diverses techniques sont aussi jumelables (blindage discriminateur, association avec un système de coïncidence / anti coïncidence…) pour optimiser les capacités ou la sélectivité du capteur. Cette stratégie devra prendre en compte l’analyse de besoins des utilisateurs et de l’instrument (particules, gammes énergies, seuils de détection, facteurs géométriques…) ainsi que les contraintes liées à son intégration (nombre de gammes, traitement local pour limiter le volume de télémétrie…). Un deuxième volet consistera à proposer une architecture du moniteur conforme à une plateforme de type Cubesat (interfaces électroniques, blindages discriminateurs, traitement des informations collectées…). Finalement des expériences de calibration au sol du moniteur pourront être menées par exemple dans la chambre d'irradiation CHARM du CERN pour valider le concept. Cette thèse se déroulera à l'ONERA-DESP (centre de Toulouse) et à l'IES de l'université de Montpellier. Une codirection entre ONERA-DESP et Université de Montpellier/IES sera mise en place. La thèse sera menée dans le cadre d'une collaboration entre l'ONERA, l'Université de Montpellier, Le CSU de Montpellier-Nîmes, le CERN, et l'université technique de Prague.

Radiation belts of the Earth are a natural radiative environment very dynamic, harsh for artificial satellites. They are composed of energetic électrons and protons (respectively 10keV-7MeV and 10keV-700MeV). The study of this environment started from the beginning of the Space Age in order to define specifications concerning radiation doses received by spacecrafts. In-situ measurements are very important to improve our knowledge about this harsh environment. ONERA participated to the elaboration of a radiation monitor with CNES, ICARE. However, this monitor is too heavy, too cumbersome and needs too much electrical power to be embedded in a Cubesat. The University of Montpellier is very experienced concerning the definition and the integration of Cubesat through its CSU. The aim of this thesis is to devellop a lightweight radiation monitor, smaller and with a consumption compatible with Cubesat. The challenge will be to measure a mixed field of électrons and protons with a miniature sensor. The choice will be based on the sensor Medipix, a sensor composed of hybrid pixels of silicon develloped by CERN. The thesis will be composed of several important steps. The first step will be to simulate the response of the Medipix sensor in a mixed field based on GEANT4, a charged particle transport code. Thanks to these results, we will have to propose a strategy of use of the sensor. This sensor has a versatile electronic so a large number of acquisition methods by pixels or by groups are allowed. Several technics can be used together (shielding discriminator, association with a coincidence / anticoincidence system...) in order to optimize capabilities or the selectivity of the sensor. This strategy will have to take into account the users' needs and of the instrument capabilities (particles, énergies, thresholds of detection, geometric factor...) and constraints due to its integration (number of channels, local processing to limit the amount of telemetry...). The second step will be to propose an architecture of the monitor conforming to a Cubesat Platform (electronic interfaces, shielding discriminator, the processing of collected data...). Finally, monitor's calibration experiments may be carried out for example in the irradiation chamber CHARM of CERN to validate the concept. This thesis will take place at ONERA-DESP (Toulouse) and at IES of Montpellier. A co-management between ONERA-DESP and Montpellier/IES will be set up. The thesis will be carried out in collaboration with ONERA, the University of Montpellier, CSU Montpellier-Nîmes, CERN, and the Technical University of Prague.