Thèse soutenue

Développement de spectro-imageurs X durs à haute densité de pixels pour l'imagerie directe de sources astrophysiques et des éruptions solaires au-delà de 30 keV

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Auteur / Autrice : Hugo Allaire
Direction : Olivier Limousin
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Astronomie et astrophysique
Date : Soutenance le 05/12/2023
Etablissement(s) : Université Paris Cité
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-....)
Jury : Président / Présidente : Thomas Patzak
Examinateurs / Examinatrices : Eric Gros d'Aillon, Sophie Musset, Esther Ferrer-Ribas
Rapporteurs / Rapporteuses : Ezio Caroli, Jean-Claude Angélique

Résumé

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Des télescopes spatiaux focalisant des rayons X durs jusqu'à 100 à 200 keV apporteraient des réponses majeures pour la compréhension des phénomènes les plus violents et énergétiques de l'univers, dans les supernovae ou plus proche de nous dans les éruptions solaires. Des techniques de super-miroirs émergent dans cette perspective, nécessitant de grands plans focaux à haute densité de pixels efficaces à 200 keV qui seront placés au foyer de ces systèmes optiques dans des missions telles que PHEMTO ou SPARK. Notre projet de recherche Mini-CdTe-on-Chip (MC²) est un nouveau concept de spectro-imageur hybride hérité du développement de détecteurs segmentés de type Schottky en CdTe et d'électroniques de lecture bas bruit. D'une surface de détection total de 256 mm², il comprend 64 × 64 pixels de 250 µm de côté chacun pour une résolution visée de 500 eV à 60 keV, proche de la résolution ultime de 470 eV à 60 keV possible avec ce détecteur. Il est basé sur un circuit intégré spécifique de 32 × 32 voies nommé D2R2 développé spécifiquement pour assurer la lecture de détecteurs semi-conducteurs à faibles capacités et à bas courants de fuite. Chaque voie est une chaîne spectroscopique analogique complète basée sur une architecture à reset continu assurant en sortie un signal proportionnel à la charge vue sur le pad d'entrée. Le module de détection comprend quatre ASICs prises dans un panneau de résine durcie et hybridées point à point avec le détecteur. Il inclut sous cet étage analogique des fonctions de numérisation du signal, réalisées par un ADC de 32 voies parallèles spécifique à cette application nommé OWB-1. Le travail présenté dans cette thèse est centré sur la mise en œuvre, l'étude des performances et la modélisation de la réponse de ce concept de spectro-imageur. Un premier axe d'étude est la caractérisation systématique de l'électronique, permettant d'une part de valider la bonne compréhension du circuit en regard de son architecture et des simulations menées durant sa conception et d'autre part d'obtenir un modèle de bruit afin d'évaluer la réponse spectrale attendue après hybridation. Une investigation sur le mode de lecture auto-déclenché favorable à la réduction du temps mort du système ainsi que la mesure sur des puces moulées en panneau ont permis de raffiner la compréhension du circuit afin de préparer son intégration dans un module complet. La seconde partie de ce travail s'est divisée en deux phases parallèles. D'une part, j'ai développé un banc expérimental pour permettre la caractérisation de prototypes hybrides. Nommés MC²-1K et constitués d'une puce unique D2R2 avec un détecteur CdTe de 32 × 32 pixels épais de 1 mm, deux de ces objets ont été caractérisés. J'ai mis en place un mode de lecture de la matrice par OWB-1 afin d'acquérir des images durant l'illumination du détecteur par des sources X. Du traitement systématique de données et de la correction des dispersions entre les voies, des spectres individuels sont produits, à partir desquels j'ai extrait les performances de bruit du système. Une étude approfondie du partage de charge en fonction des conditions d'opération a permis de quantifier les mécanismes intervenant dans le transport de charges et visibles dans le cas de pixels aux dimensions réduites pour un détecteur fin. D'autre part, j'ai développé un outil de simulation pour estimer la réponse de la chaîne d'acquisition complète, de l'arrivée d'un photon dans le détecteur à la mesure analogique en bout de chaîne électronique. Un premier bloc réalise l'interaction photon-matière dans le détecteur et leur dépôt d'énergie dans le détecteur. Un second bloc récupère cette information et effectue le transport des porteurs de charges le long des lignes de champ. Le signal induit sur les électrodes est ensuite mis en forme selon le champ de pondération et la réponse de l'électronique. De cet outil, j'ai construit un modèle de notre détecteur en partie alimenté par les mesures expérimentales.