Développement d’un spectro-imageur CdTe pour application spatiale

Development of a CdTe spectro-imaging for space application

• Auteur / Autrice : David Baudin
• Direction : Olivier Limousin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 24/02/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Astrophysique Instrumentation Modélisation (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2005-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Jacques-Olivier Klein
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Rossetto, Hélène Tap, Rafael Ballabriga Sune, Yuri Evangelista
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Rossetto, Hélène Tap

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lutte contre le bruit

Bruit -- Mesure

Rayons X

Circuits intégrés

Microélectronique

Mots clés libres

Circuits intégrés

Rayons X

Bas bruit

Asic

X-Rays

Low noise

Résumé

Ce manuscrit présente le travail de thèse effectué dans le cadre d’un projet de développement d’instrumentation spatiale pour rayons X-durs. Des développements précédents ont permis la conception d’un détecteur en tellurure de cadmium (CdTe) permettant la conversion photoélectrique du spectre lumineux dans la gamme spectrale des rayons X (1keV – 100 keV).Cette thèse décrit l’ensemble des étapes de conception d’un circuit intégré de conversion de charge permettant de lire le détecteur précédemment développé avec pour spécificités : une haute résolution spectrale, une haute résolution spatiale, et une aboutabilité sur quatre cotés.Ce travail s’est organisé selon trois principales étapes. Le choix de la technologie du circuit intégrés. La conception, fabrication et test de prototypes dédiés à mettre en place l’architecture du système. Et la conception et test du circuit, sujet de ce travail de thèse, nommé IDeF-X D²R₂.Ce dernier circuit intégré de 8.5 mm x 8.5 mm, contient 1024 pixels (matrice de 32 x 32) de 250 x 250 µm² permettant chacun la lecture de charge avec un bruit de 40 électrons, une dynamique allant jusqu’à 110 000 électrons (500 keV CdTe), pour une puissance consommée de 200 µW/pixel. Une approche système a été pensée pour être compatible à un convertisseur numérique analogique nommé OWB-1 permettant une sortie numérique du spectro-imageur. Les résultats sont prometteurs pour le développement de plan de détections modulaires pour de future missions spatiales dans la gamme des X-durs, permettant l’étude d’objets stellaires et inter-stellaires.

This manuscript details the work in the scope of a hard X-Ray spatial instrumentation project. Previous developments have reached the design and fabrication of a Cadmium Telluride detector (CdTe) allowing precise photoelectric conversion of light in the hard X-Ray energy range (1keV – 100 keV).This thesis describes all of the design steps of a charge conversion integrated circuit with several specificities: a good spectral resolution, a good spatial resolution, and a four-side abutability.This work organizes through three principal steps. The technology choice for integrated circuit fabrication. The design, fabrication and test of prototypes dedicated to develop the circuit architecture. In addition, the design and test of the final circuit named IDeF-X D²R₂. This circuit of 8.5 mm x 8.5 mm, contains 1024 pixels matrix of 32 x 32) of 250 x 250 µm² each of one allowing charge measurement with a low noise of 40 electrons, a dynamic up to 110 000 electrons (500 keV CdTe), for a nominal power consumption of 200 µW/pixel. A system approach has been done to be compatible to a 32 channels analog to digital converter developed prior to the thesis named OWB-1 leading to a digital output spectro-imaging system. Developments and results are promising for the conception of modular detection plan for future spatial missions in the hard X-Ray energy range, allowing study of energetic celestial objects.