Réalisation de grands plans de détection pixélisés pour l'astronomie gamma : contribution à l'étude et à la réalisation du module XRDPIX pour l'instrument ECLAIRs sur la mission spatiale SVOM

Overview & Synopsis

ECLAIRs, l'imageur à rayons X dur 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, dans ce mémoire de thèse, 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 -450V 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 200 XRDPIX de vol, qui forment 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. Ensuite, en me basant sur un échantillon statistique abondant, obtenu lors des nombreux tests et qualifications réalisés sur plusieurs centaines de modules et sous-modules, j'expose 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 comptage. 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, et à des modélisations du bruit total équivalent, je propose des réglages optimaux pour deux paramètres de configuration clés : la valeur de polarisation pour la haute tension et le peaking time, 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, je présente 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, ...), ce qui m'amène à proposer des pistes pour la réalisation d'instruments ambitieux avec des gains en sensibilité significatifs dans le futur.