Étude de la réponse temporelle de la signature d'une particule ionisante sur un moniteur de radiation en environnement spatial : méthode d'identification des particules mises en jeu

Study of temporal response signature of an ionizing particle on a radiation monitor in the space environment as a method of identification of particle nature

• Auteur / Autrice : Maxime Pinson
• Direction : Sébastien Bourdarie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Sciences de l'Espace, Planétologie
• Date : Soutenance le 11/12/2023
• 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 : Marin Chabot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Bourdarie, Arnaud Claret, Sylvie Benck, Matthieu Berthomier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marin Chabot, Arnaud Claret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interactions électromagnétiques

Apprentissage automatique

Environnement spatial

Traitement du signal

Mots clés libres

Traitement du signal

Environnement spatial

Machine learning

Interaction rayonnement-Matière

Signal processing

Space environment

Machine learning

Interaction of radiation with matter

Résumé

Cette étude porte sur la mesure de l'environnement radiatif spatial de la Terre. Les moniteurs de radiations développés actuellement repose sur une technique d'acquisition permettant de récolté l'énergie totale déposée par la particule incidente. La mesure des flux dans les ceintures de radiations par cette méthode se révèle être imparfaite dans certaines gammes d'énergies de protons et d'électrons. En effet, une telle chaîne d'acquisition ne permet pas de distinguer sans ambiguïté la nature de la particule mise en jeu avec la seule connaissance de son énergie déposée.Cette étude se focalise sur une méthode d'acquisition utilisant des amplificateurs de courant à large bande passante, ce qui permet d'étudier l'évolution temporelle de la formation du signal dans le détecteur. Cette technique permet de récupérer davantage d'informations sur la particule incidente.Dans un premier temps l'étude porte sur la modélisation du comportement électrique des détecteurs à semi-conducteur, où l'on détaille une implémentation 1D et 2D du courant dit "transitoire" générée par une particule incidente.Dans un second temps, la mise au point d'un banc d'essai permettant de mesurer les courants transitoires dans ces détecteurs est étudiée et nous permet de valider nos modèles précédemment développés.Enfin, armé des modèles validés contre des mesures expérimentales (ainsi que celles de la littérature), une étude de la performance de la capacité de cette méthode à discriminer la nature de la particule est faite. Pour cela une base de données de courants transitoires a été élaborée en prenant en compte l'ensemble des énergies mises en jeu dans les ceintures de radiations. Des algorithmes basiques d'intelligence artificielle permettent enfin de quantifier les performances d'une telle classification.

This study focuses on the measurement of the Earth's space radiation environment. Radiation monitors currently being developed rely on an acquisition technique that allows the total energy deposited by the incident particle to be collected. Measuring fluxes in the radiation belts using this method has proved to be imperfect in certain proton and electron energy ranges. Indeed, such an acquisition chain cannot unambiguously distinguish the nature of the particle involved with the sole knowledge of its deposited energy.This study focuses on an acquisition method using wide-bandwidth current amplifiers, enabling us to study the temporal evolution of signal formation in the detector. This technique enables us to recover more information about the incident particle.The first part of the study focuses on the modeling of the electrical behavior of semiconductor detectors, detailing a 1D and 2D implementation of the so-called "transient" current generated by an incident particle.Secondly, the development of a test bench for measuring transient currents in these detectors is studied, enabling us to validate our previously developed models.Finally, armed with models validated against experimental measurements (as well as those from the literature), a performance study of the ability of this method to discriminate the nature of the particle is carried out. To this end, a database of transient currents has been compiled, taking into account all the energies involved in the radiation belts. Basic artificial intelligence algorithms were then used to quantify the performance of such a classification.