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

Development of high pixel density hard X-ray spectroscopic imagers for the direct imaging of astrophysical sources and solar flares beyond 30 keV

• 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 (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Astrophysique Instrumentation Modélisation (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Thomas Patzak
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Gros d'Aillon, Sophie Musset, Esther Ferrer-Ribas
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ezio Caroli, Jean-Claude Angélique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits intégrés à la demande

Détecteurs à semiconducteurs

Astronomie -- Instruments

Spectroscopie des rayons X

Mots clés libres

Spectro-imagerie

Astronomie en X durs

CdTe

Instrumentation spatiale

Détecteur pixellisé

Asic

Détecteur semi-conducteur

Partage de charge

Simulation du détecteur

Imaging spectroscopy

Hard X-ray astronomy

CdTe

Pixelated detector

Asic

Space instrumentation

Semiconductor detector

Charge sharing

Detector simulation

Résumé

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.

Space telescopes focusing hard X-rays up to 100 to 200 keV would provide major answers for understanding the most violent and energetic phenomena in the universe, in supernovae or, closer to home, in solar flares. Super-mirror techniques are emerging for this purpose, requiring large focal planes with high pixel density effective at 200 keV to be placed at the focus of these optical systems in missions such as PHEMTO or SPARK. Our Mini-CdTe-on-Chip (MC²) research project is a new hybrid concept of imaging spectroscopy inherited from the development of segmented CdTe Schottky detectors and low-noise readout electronics. With a total detection area of 256 mm², it features 64 × 64 pixels with a pitch of 250 µm and a target resolution of 500 eV at 60 keV, close to the ultimate resolution of 470 eV at 60 keV possible with this detector. The front-end electronic is a specific 32 × 32 channel integrated circuit called D2R2, developed specifically for reading semiconductor detectors with low capacitance and low leakage current. Each channel is a complete analog spectroscopic chain based on a continuous reset architecture, providing an output signal proportional to the load seen on the input pad. The detector module comprises four ASICs housed in a hardened epoxy panel and hybridized point-to-point with the detector's 4096 pixels. Signal digitization functions are included underneath this analog stage, performed by a 32-channel parallel ADC specific to this application and named OWB-1. The work presented in this thesis focuses on the implementation, performance study and response modeling of this spectro-imager concept. The first line of study is the systematic characterization of the electronics, to validate the circuit's understanding of its architecture and the simulations carried out during its design, and to obtain a noise model in order to evaluate the spectral response expected after hybridization. Investigation of the self-triggered readout mode to reduce the system's dead time, together with measurements on panel-molded chips, enabled us to refine our understanding of the circuit in preparation for its integration into a complete module. The second part of this work was divided into two parallel phases. On the one hand, I developed an experimental bench for operating hybrid prototypes. Named MC²-1K and consisting of a single D2R2 chip with a 32 × 32 pixel CdTe detector 1 mm thick, two of these objects were characterized. I set up an OWB-1 array readout mode to acquire images during detector illumination by X-ray sources. From systematic data processing and correction of inter-channel dispersions, individual spectra are produced, from which I have extracted the noise performance of the system. An in-depth study of charge sharing as a function of operating conditions has enabled me to quantify the mechanisms involved in charge transport, visible in the case of pixels with reduced dimensions for a thin detector. I have also developed a simulation tool to estimate the response of the complete acquisition chain, from the arrival of a photon in the detector to the analog measurement at the end of the electronic chain. A first block carries out the photon-matter interaction in the detector and their energy deposition in the detector. A second unit recovers this information and transports the charge carriers along the field lines. The signal induced on the electrodes is then shaped according to the weighting field and the response of the electronics. From this tool, I have built a model of our detector, partly fed by experimental measurements.