Development of large pixelated detection planes for gamma astronomy : contribution to the study and implementation of the XRDPIX module for the ECLAIRs instrument on the SVOM space mission
Réalisation de grands plans de détection pixélisés pour l'astronomie gamma : contribution à l'étude et à la réalisation du module XRDPIX pour l'instrument ECLAIRs sur la mission spatiale SVOM
Résumé
ECLAIRs, the hard X-ray imager of the Chinese-French SVOM mission, is dedicated to the detection and localization in near real-time of cosmic transient sources in the energy range from 4 to 150 keV. This instrument is a wide field camera, equipped with a detection plane paved with 6400 CdTe Schottky detectors, which allows to create hard X-ray images of the sky thanks to a localization system called "coded mask". The work presented in this manuscript details the design, the realization and the measurement of the performances of hybrid modules of 32 detectors read by an ASIC (called XRDPIX modules), which constitute the basic bricks of the detection plan, and which make it possible to reach unequalled performances for this type of instrument with a threshold in energy equal to 4 keV. After having posed the problem of detection of transient cosmic sources in X-rays, based on the astrophysical context of the SVOM mission, and then detailed its main instrument, I present, in this thesis, my work on the realization of large pixelated detection plans for gamma-ray astronomy, with in particular my contribution to the study and the realization of the XRDPIX module. The development of the XRDPIX modules, calls for both a low noise design and the use of innovative technologies. The CdTe detectors are biased down to -450V and regulated at low temperature (nominally 20°C) in order to minimize the leakage current and to limit the polarization effects. The low energy threshold required for the space mission is reached thanks to a thorough characterization of the elements constituting the 200 flight XRDPIX, which form the ECLAIRs camera. I present in detail the physical and technological characteristics of these modules, the various stages of their development, justifying the solutions and technical compromises that have marked their manufacture. Then, based on an abundant statistical sample, obtained during the numerous tests and qualifications carried out on several hundreds of modules and sub-modules, I present the results of measurements which demonstrate the excellent performances of the XRDPIX module, in terms of spectral resolution, low energy threshold, gain and counting. Additional studies are also shown, in order to complete the validation of the XRDPIX by analyzing the influence of various physical parameters on the performances, such as temperature. In conclusion, thanks to these abundant data analyses, and to models of the total equivalent noise, I propose optimal settings for two key configuration parameters: the bias value for the high voltage and the peaking time, which allow to obtain the 4 keV energy threshold required by the SVOM mission, with a good uniformity on the whole detection plane. Finally, I present this feedback, coupled with the study of the key parameters that determine the sensitivity of a wide field imager in the hard X-ray domain (detection area, energy range, field of view, ...), which leads me to propose avenues for the realization of ambitious instruments with significant gains in sensitivity in the future.
ECLAIRs, l'imageur à rayons X dur de la mission sino-française SVOM, est dédié à la détection et à la localisation en quasi temps réel de sources transitoires cosmiques dans la plage d'énergie allant de 4 à 150 keV. Cet instrument est une caméra grand champ, munie d'un plan de détection pavé de 6400 détecteurs Schottky CdTe, qui permet de créer des images du ciel en rayons X durs grâce à un système de localisation appelé " masque codé ". Les travaux exposés dans ce manuscrit détaillent la conception, la réalisation et la mesure des performances de modules hybrides de 32 détecteurs lus par un ASIC (appelés modules XRDPIX), qui constituent les briques de base du plan de détection, et qui permettent d'atteindre des performances inégalées pour ce type d'instrument avec un seuil en énergie égal à 4 keV. Après avoir posé la problématique de détection des sources cosmiques transitoires en rayons X, en s'appuyant sur le contexte astrophysique de la mission SVOM, puis détaillé son instrument principal, j'expose, dans ce mémoire de thèse, mon travail sur la réalisation de grands plans de détection pixélisés pour l'astronomie gamma, avec en particulier ma contribution à l'étude et à la réalisation du module XRDPIX. Le développement des modules XRDPIX, fait appel à la fois à une conception faible bruit et à l'utilisation de technologies innovantes. Les détecteurs CdTe sont polarisés jusqu'à -450V et régulés à basse température (nominalement 20°C) afin de minimiser le courant de fuite et de limiter les effets de polarisation. Le seuil bas en énergie requis pour la mission spatiale est atteint grâce à une caractérisation approfondie des éléments constituant les 200 XRDPIX de vol, qui forment la caméra ECLAIRs. Je présente de façon détaillée les caractéristiques physiques et technologiques de ces modules, les différentes étapes de leur développement, en justifiant les solutions et les compromis techniques qui ont jalonné leur fabrication. Ensuite, en me basant sur un échantillon statistique abondant, obtenu lors des nombreux tests et qualifications réalisés sur plusieurs centaines de modules et sous-modules, j'expose les résultats de mesures qui démontrent les excellentes performances du module XRDPIX, en termes de résolution spectrale, de seuil bas en énergie, de gain et de comptage. Des études annexes sont également montrées, afin de compléter la validation des XRDPIX par l'analyse de l'influence de divers paramètres physiques sur les performances, comme par exemple la température. En conclusion, grâce à ces analyses de données abondantes, et à des modélisations du bruit total équivalent, je propose des réglages optimaux pour deux paramètres de configuration clés : la valeur de polarisation pour la haute tension et le peaking time, qui permettent d'obtenir le seuil en énergie de 4 keV exigé par la mission SVOM, avec une bonne uniformité sur l'ensemble du plan de détection. Finalement, je présente ce retour d'expérience, couplé à l'étude des paramètres clés qui déterminent la sensibilité d'un imageur grand champ dans le domaine des X durs (surface de détection, gamme d'énergie, champ de vue, ...), ce qui m'amène à proposer des pistes pour la réalisation d'instruments ambitieux avec des gains en sensibilité significatifs dans le futur.
Mots clés
Sino-French space mission
X/gamma ECLAIRs instrument
Gamma ray bursts
Spatial pixelated detection planes
XRDPIX detection modules
Schottky CdTe detector
ASIC electronics
Ceramics
Development
Implementation
Tests
Validation
Analysis of scientific performance
Spectral resolution
Low energy threshold
Counting
Gain
Leakage current
Temperature
High voltage
Peaking time
Mission spatiale franco-chinoise SVOM
Instrument X/gamma ECLAIRs
Sursauts gamma
Plans de détection pixélisés spatiaux
Modules de détection XRDPIX
Détecteur CdTe Schottky
Électronique ASIC
Céramique
Développement
Réalisation
Tests
Validation
Analyse des performances scientifiques
Résolution spectrale
Seuil bas en énergie
Comptage
Gain
Courant de fuite
Température
Haute tension
Peaking time
Origine : Version validée par le jury (STAR)