ECLAIRs, l’imageur à rayons X durs 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 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 -450 V 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 modules XRDPIX, briques de base de 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.
En me basant sur un échantillon statistique considérable, obtenu lors de nombreux tests et qualifications réalisés sur une centaine de modèles, je présente ensuite 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 fiabilité des comptages. 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, je propose des réglages optimaux pour deux paramètres de configuration clés : la valeur de polarisation pour la haute tension et le temps de mise en forme des impulsions, 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, 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,…) me permet de proposer des pistes pour la réalisation d’instruments plus ambitieux qui permettront des gains significatifs en sensibilité dans le futur. |
ECLAIRs, a hard X-ray imager of the SVOM Sino-French mission, is dedicated to the near-real-time detection and localization 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 Schottky CdTe detectors, which makes it possible to create images of the sky in hard X-rays thanks to a coded mask.
In this manuscript we detail the design, the development and the measurements of a 32-detector hybrid comprising a low noise ASIC (called XRDPIX modules), which is the basic component of the detection plan. Indeed it will allow to achieve the unprecedented performance of a 4 keV energy threshold, for this type of instrument.
After considering the context of the X-ray transient cosmic sources detection, based on the astrophysical context of the SVOM mission, and then describing its main instrument, we expose our study on the realization of large pixelated detection planes for gamma astronomy, with an emphasis on the characterization and the development of the XRDPIX modules. |