Les mesures de particules chargées in situ sont fondamentales pour caractériser et comprendre les environnements et les processus plasma en héliophysique et planétologie, ainsi que les risques associés en météorologie spatiale. Différents types de détecteurs sont utilisés pour convertir l'énergie en charges électriques mesurables par une électronique de proximité analogique (front-end). Pour s’adapter au mieux à chaque type de détecteur, une instrumentation spécifique doit être mise en œuvre. Le développement d’une électronique spatiale à très bas bruit pour détecteur semi-conducteur embarqué sur de futures missions spatiales constitue l’objectif principal de la thèse.
La première partie de la thèse présente le fonctionnement des mesures in situ des plasmas spatiaux, notamment à hautes énergies (électrons de 10 keV à 1 MeV, protons de 10 keV à 10 MeV). Le deuxième chapitre présente l’architecture d’une électronique de proximité analogique discrète pour le spatial visant à atteindre les performances suivantes : un bruit inférieur à 1 nV/√Hz, 1 keV de résolution à 10 keV, un produit gain-bande supérieur à 10 GHz et un gain supérieur à 40 mV/MeV. Les résultats de simulations du couplage entre cette architecture et un détecteur semi-conducteur y sont détaillés. Les résultats obtenus sont conformes aux performances attendues. Le troisième chapitre présente la fabrication et la mise en œuvre de l’électronique de proximité développée, ainsi que les tests expérimentaux réalisés et résultats obtenus en injection et avec sources radioactives. Les résultats expérimentaux obtenus atteignent 1.4 keV à 31 keV en injection et 48.8 keV à 976 keV avec une source 207Bi. Le quatrième chapitre discute des limitations de l’électronique de proximité analogique discrète développée, en particulier les effets des capacités parasites qui justifient le besoin de développement d’une électronique de proximité basée sur un ASIC pour atteindre les performances requises pour l’instrument. Le cinquième chapitre détaille le modèle du transistor JFET réalisé pour son intégration en technologie CMOS SOI ainsi que le processus validation du modèle. Le sixième présente l’architecture d’une électronique de proximité basée sur des transistors JFET et adaptée au spatial. Les résultats de simulation du couplage entre l’architecture ASIC développée et un détecteur semi-conducteur montrent que les performances obtenues sont meilleures que celles obtenues en électronique discrète, avec un bruit de 591 pV/√Hz, un bruit équivalent de charge de 204 eV et un gain de 355 mV/MeV, adaptées aux performances visées. Le septième chapitre conclut la thèse et propose des perspectives quant à la mise en œuvre de l’électronique de proximité développée dans de futurs instruments spatiaux pour l’exploration future d’Uranus et Neptune. |
In situ, particle measurements are fundamental to characterise and understanding plasma processes and associated risks in heliophysics, planetology and space meteorology. The detectors, used to convert energy into measurable electrical charges, are closely related to their front-end analogue electronics. To best adapt to the detector, a specific instrumentation must be implemented. Thus, the development of low-noise and broadband spatial electronics must be developed, requiring specific know-how.
The first part of the thesis introduces le fonctionnement des mesures in situ des plasmas spatiaux, particularly at high energies (electrons from 10 keV to 1 MeV, protons from 10 keV to 10 MeV). The second chapter presents the architecture of a discrete analog proximity electronics for space aiming to achieve the following performances: an electronic noise less than 1 nV/√Hz, 1 keV resolution at 10 keV, a gain-band product greater than 10 GHz and a gain greater than 40 mV/MeV. The results of simulations of the coupling between this architecture and a semiconductor detector are detailed. The results are consistent with expected performance. The third chapter presents the manufacture and implementation of the developed proximity electronics, as well as the experimental tests performed and results obtained in injection and with radioactive sources. The experimental results obtained reach 1.4 keV at 31 keV in injection and 48.8 keV at 976 keV with a 207Bi source. The fourth chapter discusses the limitations of discrete analog proximity electronics developed, in particular the effects of parasitic capacitance that justify the need to develop a proximity electronics based on an ASIC to achieve the performance required for the instrument. The fifth chapter details the model realised for their integration in SOI CMOS technology and its validation process. The sixth chapter presents the architecture of proximity electronics based on JFET transistors and adapted to space. The simulation results of the coupling between the developed ASIC architecture and a semiconductor detector show that the performances obtained are better than those obtained in discrete electronics, with a noise of 591 pV/ Hz, an equivalent noise charge of 204 eV and a gain of 355 mV/ MeV, adapted to the intended performance. The seventh chapter concludes the thesis and proposes perspectives on the implementation of proximity electronics developed in future space instruments for the future exploration of Uranus and Neptune. |