Caractérisation des modules de détection de la caméra ECLAIRs pour la mission SVOM - Guillaume Nasser - Indico
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Caractérisation des modules de détection de la caméra ECLAIRs pour la mission SVOM Guillaume Nasser Sous la direction de Olivier Godet
PROBLEMATIQUE
Le module de détection élémentaire pavant la caméra ECLAIRs est-il
conforme aux exigences scientifiques et techniques liées à la détection
spatiale des sursauts Gamma ?
En étudiant ses caractéristiques physiques et fonctionnelles, comment
optimiser à la fois ses performances et son opérabilité en vol ?
2
PLAN
I. SVOM - détecteur de sursauts Gamma
1. Propriétés des sursauts Gamma
2. SVOM
3. Instrument ECLAIRs
4. Tête de lecture et chaine de détection
II. Caractéristiques du module XRDPIX
1. Détecteurs CdTe Schottky
2. Réponse spectrale
3. Qualité d’hybridation
4. Relation canal-énergie
5. Uniformité des comptages
III. Optimisation des performances & Opérabilité en vol
1. Effet de polarisation
2. Effet des particules chargées
3. Zone de fonctionnement des XRDPIX
IV. Conclusion
1. Bilan
2. Perspectives
1.
SVOM
Détecteur de sursauts Gamma
I. SVOM - détecteur de sursauts Gamma
1. Propriétés des sursauts Gamma
s
ms 40
30
Nombre de sursauts
Observations Progéniteurs T90 (sec)
Répartition isotrope sur la voûte céleste Formation d’un trous noir dans le coeur d’une étoile
Occurence temporelle aléatoire massive en effondrement gravitationnel
Distribution bi-modale de la durée des sursauts Coalescence de deux objets compacts
Distances cosmologiques Mécanisme d’accélération de particule (jets relativistes)
Émission gamma colimatée vers la Terre
5I. SVOM - détecteur de sursauts Gamma
1. Propriétés des sursauts Gamma
s
ms 40
30
Nombre de sursauts
Observations Progéniteurs T90 (sec)
Répartition isotrope sur la voûte céleste Formation d’un trous noir dans le coeur d’une étoile
Occurence temporelle aléatoire massive en effondrement gravitationnel
Distribution bi-modale de la durée des sursauts Coalescence de deux objets compacts
Distances cosmologiques Mécanisme d’accélération de particule (jets relativistes)
Émission gamma colimatée vers la Terre
GRB090423 : 600 million d’années après le Big Bang !
5I. SVOM - détecteur de sursauts Gamma
1. Propriétés des sursauts Gamma
X/Gamma BAT−XRT data of GRB 150910A optique 6 Kann et al.
BAT: Black −− XRT: WT settling: Cyan; WT: Blue; PC: Red
10−3
Magnitude Rc corrigée
10−4
Flux density (Jy @ 10 keV)
10−5
10−6
10−7
10−8
0.01 0.1 1 10 100 1000 104 105 106
Time since BAT trigger (s)
Temps écoulé (en jour) après le sursaut
Fig. 1.— The afterglows of Type II GRBs in the observer frame. All data have been corrected for Galactic extinction (Schlegel et al.
1998) and, where possible, the contribution of the host galaxy has been subtracted. Thin gray lines are Type II GRBs from the pre-Swift
era, taken from K06 (three further GRBs are presented in this paper but are added to the pre-Swift sample). Thick red lines are the
© NASA/Swift burst analyser Kann et al. 2010
Swift-era Golden Sample. The Silver Sample is blue, and the Bronze Sample is black. The large number of early afterglow detections
is evident. Clearly, there are several afterglows that are significantly fainter than the pre-Swift sample. At late times, the non-breaking
afterglow of GRB 060729 (Grupe et al. 2007a) is brighter than any other except for GRB 030329. At very early times, the prompt flash
of the “naked-eye” GRB 080319B (Racusin et al. 2008; Woźniak et al. 2009; Beskin et al. 2009) reaches four magnitudes brighter than
the previous record-holder, GRB 990123. GRB 061007 comes close to the magnitude of the optical flash of GRB 990123, making it the
third-brightest afterglow ever detected. At late times, the afterglow of the nearby GRB 030329 still remains brighter than any other
afterglow discovered since.
Woźniak et al. 2009; Beskin et al. 2009) lies several mag- cal flash of GRB 990123 (Akerlof et al. 1999). Several
nitudes above all other afterglows. Otherwise, only the
afterglow of GRB 061007 is comparable11 to the opti- which is included in our sample), had an early afterglow light curve
Emission multi-longueur d’onde
(Jelı́nek et al. 2006b) which is almost identical in magnitude and
11 We note that GRB 060117, the burst with the second highest evolution to the afterglow of GRB 061007. It was very close to the
Sun at trigger time and could not be observed spectroscopically,
peak photon flux in the complete Swift sample (after GRB 090424, therefore, it is not included in our sample.
Forte décroissance du flux avec le temps
Mesure du redshift spectroscopique dans la contre partie optique du sursaut
6I. SVOM - détecteur de sursauts Gamma
1. Propriétés des sursauts Gamma
X/Gamma BAT−XRT data of GRB 150910A optique 6 Kann et al.
BAT: Black −− XRT: WT settling: Cyan; WT: Blue; PC: Red
10−3
Magnitude Rc corrigée
10−4
Flux density (Jy @ 10 keV)
10−5
10−6
10−7
emission emission
remanente
10 −8
prompte
0.01 0.1 1 10 100 1000 104 105 106
Time since BAT trigger (s)
Temps écoulé (en jour) après le sursaut
Fig. 1.— The afterglows of Type II GRBs in the observer frame. All data have been corrected for Galactic extinction (Schlegel et al.
1998) and, where possible, the contribution of the host galaxy has been subtracted. Thin gray lines are Type II GRBs from the pre-Swift
era, taken from K06 (three further GRBs are presented in this paper but are added to the pre-Swift sample). Thick red lines are the
© NASA/Swift burst analyser Kann et al. 2010
Swift-era Golden Sample. The Silver Sample is blue, and the Bronze Sample is black. The large number of early afterglow detections
is evident. Clearly, there are several afterglows that are significantly fainter than the pre-Swift sample. At late times, the non-breaking
afterglow of GRB 060729 (Grupe et al. 2007a) is brighter than any other except for GRB 030329. At very early times, the prompt flash
of the “naked-eye” GRB 080319B (Racusin et al. 2008; Woźniak et al. 2009; Beskin et al. 2009) reaches four magnitudes brighter than
the previous record-holder, GRB 990123. GRB 061007 comes close to the magnitude of the optical flash of GRB 990123, making it the
third-brightest afterglow ever detected. At late times, the afterglow of the nearby GRB 030329 still remains brighter than any other
afterglow discovered since.
Woźniak et al. 2009; Beskin et al. 2009) lies several mag- cal flash of GRB 990123 (Akerlof et al. 1999). Several
nitudes above all other afterglows. Otherwise, only the
afterglow of GRB 061007 is comparable11 to the opti- which is included in our sample), had an early afterglow light curve
Emission multi-longueur d’onde
(Jelı́nek et al. 2006b) which is almost identical in magnitude and
11 We note that GRB 060117, the burst with the second highest evolution to the afterglow of GRB 061007. It was very close to the
Sun at trigger time and could not be observed spectroscopically,
peak photon flux in the complete Swift sample (after GRB 090424, therefore, it is not included in our sample.
Forte décroissance du flux avec le temps
Mesure du redshift spectroscopique dans la contre partie optique du sursaut
6I. SVOM - détecteur de sursauts Gamma
Galaxie hôtes Mesure des paramètres cosmologiques
Étude des avant-plans Particules cosmiques ultra-énergétiques
Connexion supernovas et sursauts gamma Taux de formation stellaire à haut redshift (étoiles Pop III)
Nature des jets et mécanismes d’accélération Observation d’ondes gravitationnelles (sursauts courts)
…
Space-based Variable Object Monitor
a b
Catégorie des « mini-satellites »
Distribution cumulative
Charge utile étendue sur l’ensemble du spectre
Diminution du seuil de détection à 4 keV
Réseaux d’alerte et suivi de télescopes robotiques
60% de sursauts détectés avec une mesure de
redshift spectrométrique (30% pour Swift)
Godet et al. 2009
7I. SVOM - détecteur de sursauts Gamma
1. Objectifs de la mission
Galaxie hôtes Mesure des paramètres cosmologiques
Étude des avant-plans Particules cosmiques ultra-énergétiques
Connexion supernovas et sursauts gamma Taux de formation stellaire à haut redshift (étoiles Pop III)
Nature des jets et mécanismes d’accélération Observation d’ondes gravitationnelles (sursauts courts)
…
Space-based Variable Object Monitor
a b
Catégorie des « mini-satellites »
Distribution cumulative
Charge utile étendue sur l’ensemble du spectre
Diminution du seuil de détection à 4 keV
Réseaux d’alerte et suivi de télescopes robotiques
60% de sursauts détectés avec une mesure de
redshift spectrométrique (30% pour Swift)
Lancement ~ 2021
Objectif de 200 sursauts sur 3 ans de mission
Godet et al. 2009
7I. SVOM - détecteur de sursauts Gamma
1. Objectifs de la mission
SVOM
8I. SVOM - détecteur de sursauts Gamma
1. Objectifs de la mission
ECLAIRs MXT
[4 - 150] keV [0.2 - 10] keV
89 x 89 deg 64 x 64 arcmin
GRM VT
[5.10 Bandes V et R
21 x 21 arcmin
Or
bi t
e
Altitude < 650 km
SVOM
Inclinaison ~29°
Pointage anti-solaire
8
GWAC GFTsI. SVOM - détecteur de sursauts Gamma
1. Objectifs de la mission
ECLAIRsI. SVOM - détecteur de sursauts Gamma
Pas de Collection de lumière
(grand plan de détection pixélisé)
Résolution temporelle (10 μs )
Caméra à masque codé
Ouverture : 40%
Distance du masque : 46 cm
Rapport m/d : 2.6
Champ de vue : 89°x 89°
Précision de localisation
(PSLE < 13 arcmin à 90% de confiance)
Plan de détection pixelisé DPIX
6400 détecteurs CdTe 200 modules XRDPIX
8 secteurs 8 boitiers ELS
Positions, énergies, temps d’arrivée des photons et multiplicité
Sensibilité
∼ 400 cm2 à 20-50 keV
∼ 150 cm2 à 4 keV
9I. SVOM - détecteur de sursauts Gamma
1. Instrument ECLAIRs Masque codé
Pas de Collection de lumière
(grand plan de détection pixélisé)
Blindage
Résolution temporelle (10 μs ) auto-porteur
Caméra à masque codé
Ouverture : 40%
Distance du masque : 46 cm
Rapport m/d : 2.6
Champ de vue : 89°x 89°
Plan de détection
Plateau froid DPIX
Précision de localisation
(PSLE < 13 arcmin à 90% de confiance)
Plan de détection pixelisé DPIX
6400 détecteurs CdTe 200 modules XRDPIX Electronique de Lecture
8 secteurs 8 boitiers ELS Secteur (ELS)
Positions, énergies, temps d’arrivée des photons et multiplicité
Sensibilité
∼ 400 cm2 à 20-50 keV
∼ 150 cm2 à 4 keV
9I. SVOM - détecteur de sursauts Gamma
Céramique0ASIC
Capot&&&Futs&de&fixa/on
Cavité&hermé/que
ASIC&IDef=X Gevin et al. 2009
Support&céramique&routé
Support&céramique&routé
Matrice&détecteurs&CdTe&
4x4x1&mm3&&(Acrorad)
Grille&haute&tension
Céramique0Détecteurs
10I. SVOM - détecteur de sursauts Gamma
4. Tête de lecture et chaine de détection
Céramique0ASIC
Capot&&&Futs&de&fixa/on
Cavité&hermé/que
ASIC&IDef=X Gevin et al. 2009
Support&céramique&routé
Support&céramique&routé
Matrice&détecteurs&CdTe&
4x4x1&mm3&&(Acrorad)
Grille&haute&tension
Céramique0Détecteurs
10a b
I. SVOM - détecteur de sursauts Gamma Sor1e8PAC
ts Sor1e8Filtre8CR=RCn
Amplitude
tp
Détecteur8 Max
de8pic
Impulsions de tension (PAC) mises en forme
Amplitude
t
Filtres CR-RCn avec temps de peaking (tp) variable
Sor1e8Filtre8
Amplitude proportionnelle à l’énergie déposée
Amplitude
8CR=RCn
Seuil
RSM1 ajout d’un temps mort de 34 µs
5%
injec1on détec1on t
ASIC IDef-X t
12a b
I. SVOM - détecteur de sursauts Gamma Sor1e8PAC
ts Sor1e8Filtre8CR=RCn
Amplitude
tp
4. Tête de lecture et chaine de détection Détecteur8 Max
de8pic
Impulsions de tension (PAC) mises en forme
Amplitude
t
Filtres CR-RCn avec temps de peaking (tp) variable
Sor1e8Filtre8
Amplitude proportionnelle à l’énergie déposée
Amplitude
8CR=RCn
Seuil
RSM1 ajout d’un temps mort de 34 µs
5%
injec1on détec1on t
ASIC IDef-X t
rSM (34 µs)
multiple
12II .
Caractéristiques du module
XRDPIXII. Caractéristiques du module XRDPIX
0. Méthodologie et expérimentation
Mesure de courant unitaire et après collage sur CD Développement de codes de simulations, de
Test de recette des modules XRDPIX contre-collés logiciels d’analyse et de traitement de données
Test de caractérisation complète de quelques XRDPIX Réalisation de scripts de test automatiques
Essais TANDEM pour l’effet des particules chargées 6 modules XRDPIX caractérisés
Essais SOLEX pour la mesure d’efficacité 70 configurations différentes
123 Go de données brutes pour 1972 h de tests
TANDEM
7 valeurs de
5 valeurs de HT [-250 ; -450 V]
2 valeurs RSM 0 et 1
SOLEX Température [-22°C, -20°C, -18°C]
Banc de test IRAPII. Caractéristiques du module XRDPIX
Inconvénients Avantages
Instabilité: effet de polarisation Effet photoélectrique dominant
Mobilité des porteurs de charges Forte densité et large bandgap
Toxicité Contact Schottky : faible courant de fuite
ƕ
VHT < 0
CATHODE
trous (h+)
profondeur
d’interaction
E
d
électrons (e-)
dérive
n
s io
ffu ANODE
di
Chaine électronique de lecture
0V
15II. Caractéristiques du module XRDPIX
1. Détecteurs CdTe Schottky
Inconvénients Avantages
Instabilité: effet de polarisation Effet photoélectrique dominant
Mobilité des porteurs de charges Forte densité et large
Toxicité Contact Schottky : faible courant de fuite
ƕ
VHT < 0
CATHODE
trous (h+)
profondeur
d’interaction
E
d
électrons (e-)
dérive
n
s io
ffu ANODE
di
Chaine électronique de lecture
0V
15reported
reported in literature
in literature [1],[1],
[2],[2],
couldcould be ascribed
be ascribed to the
to the electric waswas
electric biased
biased at voltages
at voltages lowerlower
thanthan
500V.500V.
field, we have carried out an investigation
field, we have carried out an investigation of the evolution of the evolution
II. Caractéristiques du module XRDPIX
withwith
timetime of the
of the Pockels
Pockels signals.
signals.
TheThe
deepdeep
observed
observed
level
level
transients
transients
population
population
are are
occurring
occurring
likely
likely
when
duedue
whenthe the
to the
to the
detector
detector
increase
increase in in
is being
is being
TheThe detector
detector hashas
beenbeen
keptkept
underunder a bias
a bias voltage
voltage of 500V
of 500V for for biased,
6 hours
6 hours at room
at room 1. Détecteurs CdTe Schottky
temperature,
temperature, andand Pockels
Pockels images,
images, shown
shown
biased,
in in Usually,
Usually,
through
through
trapping
trapping
hole-emission/electron-trapping
hole-emission/electron-trapping
is aisfaster
a faster process
process thanthan emission,
emission,
mechanisms.
mechanisms.
but but
the the
raterate
Fig.Fig. 3, have
3, have been been acquired
acquired at different
at different timestimes ranging
ranging fromfrom
10 10 cancan be be slowed
slowed by by a lowa low electron
electron concentration
concentration in inthe the
minutes to 4 hours. Since the first hour (second
minutes to 4 hours. Since the first hour (second image) a conduction image) a conduction band.band.TheThe midgap
midgap position
position of of
the thedeepdeep levels
levels
Effet
second demaximum,
second polarisation
maximum, closer
closer to anode,
to anode, appears.
appears. Then,
Then, as time involved
as time involvedcancanalsoalso25°C
accounts -300
accounts V
for for 9h very
the the
very longlong transients.
transients. From From
passes,
passes, the the expected
expected darkdark
andand bright
bright bands
bands become
become moremore
andand the the electric
electric fieldfield profiles,
profiles, interpolated
interpolated according
according to tothe the
more evident. As previously said, fringes
more evident. As previously said, fringes are due to the described are due to the described procedure,
procedure, we we have have extracted
extracted relevant
relevant time-varying
time-varying
Évolution
sinusoidal
sinusoidal dubetween
relation
relation champ
between électrique
transmitted
transmitted dans
intensity leand
intensity volume
and du quantities,
electric
electric quantities,
suchsuch as the
as the values
values of the
of the electric
electric fieldfield
andand negative
negative
field.
field. TheThe
détecteur procedure
procedure au for for
cours reconstructing
du tempsthe the
reconstructing fieldfield
hashas
alsoalso
beenbeen charge
charge at the
at the anode,anode,andand the the effective
effective voltage.
voltage. Results
Results are are
applied
applied to the
to the images
images taken
taken at different
at different times,
times, andand profiles
profiles are are showshow in Fig.
in Fig. 5. 5.
shown Dégradation
shown in Fig.
in Fig. 4; in de l’efficacité
4; particular,
in particular, Fig.Fig. de détection
4a refers
4a refers to field
to field behavior From
behavior From Fig.Fig.
5a, 5a,
it isit evident
is evident that,that,
as asthe the
biasbias voltage
voltage is is
during
during the the
firstfirst 50 minutes,
50 minutes, whilewhileFig.Fig. 4b shows
4b shows datadata upsix
up to to six applied,
applied,
the the value
value of the
of the electric
electric fieldfield at the
at the anodeanode increases
increases
Altération
hours
hours of biasing.
of biasing.
du spectre de photons
for for
fewfew hours,
hours, thenthen it bends
it bends to reach
to reach saturation.
saturation. TheThe negative
negative
charge
charge at the
at the anode
anode alsoalso increases
increases withwithtime, time,
from from x 10x111011
5.9 5.9
12 12 18 18 cm-3cmto-3 3.2
to 3.2x 10 12 -3 -3
x1210cm cm, and the the
, and transient
transient is well-fitted
is well-fitted by by
an an
exponential
exponential associate
associate function
function withwith
a timea time constant
constant of the
of the
10min10min 1h 1h
20min20min 15 15 2h 2h order of six
order hour.
of six Consistently
hour. Consistently withwith
the the
fieldfield
saturation
saturation andand
the the
30min30min 3h 3h charge
chargeincrease
increase at the
at theanode,
anode,we we observe
observe a decrease
a decrease of the
of the
Champ électrique (kV/cm)
(kV/cm)
9 9 40min 4h 4h
Electric field (kV/cm)
Electric field (kV/cm)
40min effective potential difference between anode andand cathode,
Electric field (kV/cm)
field (kV/cm)
effective potential difference between anode cathode,
50min50min 12 12 5h 5h
6h 6h
evaluated
evaluated by bythe thenumerical
numerical integral
integral of of the the
fieldfieldprofile
profile
Electricélectrique
between
between the the
twotwo electrodes
electrodes (Fig. 5c).5c).
(Fig. Indeed,
Indeed,afteraftera slight
a slight
6 6 9 9 increase
increaseof the effective
of the effective potential
potential during
during the the
firstfirst
60 minutes,
60 minutes,
it follows
it follows a marked
a marked dropdrop to V~380
to V~380 V after
V after 6 hours.
6 hours. As As
observed
observed in the previous
in the previous sub-section,
sub-section, it appears
it appears thatthat
the the
space
space
Champ
6 6
3 3 charge
chargeplays a key
plays rolerole
a key Toyama
in screeninget al.
in screening the2006electric
the field,
electric andand
field, thisthis
3 3 effect is emphasized
effect is emphasized withColatimetime
with etbecause
2009of the
al.because charge
of the chargeincrease.
increase.
Instability
Instability phenomena,
phenomena,generally generally termedtermed as as polarization
polarization
(a) (a) (b) (b)
phenomena,
phenomena, characterized
characterized by bya progressive
a progressive degradation
degradation of of
0 0 0 0
0.0 0.0
0.2 0.2
0.4 0.4
0.6 0.6
0.8 0.8
1.0 1.0 0.0 0.0
0.2 0.2
0.4 0.4
0.6 0.6
0.8 0.8
1.0 1.0 energy
energyresolution
resolutionandanda shifting
a shiftingof the photo-peak
of the photo-peak towards lowlow
towards
Distance from
Distance
Distance Anode
from
à l’anode Anode
(mm)(mm)(mm) Distance from
Distance Anode
from
Distance (mm)
Anode
à l’anode (mm) energy
(mm)
energy withwithtimetimeafterafter
applying
applying biasbias
voltage,
voltage,were werealready
already
Fig. Fig.
4. Reconstructed fieldfield
4. Reconstructed profiles fromfrom
profiles anode to cathode:
anode (a) during
to cathode: the the observed
(a) during observed several
severalyearsyearsagoago in CdTe
in CdTe detectors
detectors [14][14]equipped
equipped
first first
50 minutes; (b) during
50 minutes; the remaining
(b) during 5 hours.
the remaining The The
5 hours. applied voltage
applied is16 is with
voltage evaporated
with evaporated aluminum
aluminum electrodes
electrodes [15], [16][16]
[15], andand recently
recently
500V.
500V.II. Caractéristiques du module XRDPIX
1. Détecteurs CdTe Schottky
Critères de sélection (Thèse N. Remoué 2010) Taux de succès
Corrélation du courant de fuite avec la température 91.27 %
Résolution spectrale acceptable 88.03 %
Stabilité du courant de fuite sur 2h 95.32 %
17II. Caractéristiques du module XRDPIX
1. Détecteurs CdTe Schottky
Critères de sélection (Thèse N. Remoué 2010) Taux de succès
Corrélation du courant de fuite avec la température 91.27 %
Résolution spectrale acceptable 88.03 %
Stabilité du courant de fuite sur 2h 95.32 %
17II. Caractéristiques du module XRDPIX
1. Détecteurs CdTe Schottky
Critères de sélection (Thèse N. Remoué 2010) Taux de succès
Corrélation du courant de fuite avec la température 91.27 %
Résolution spectrale acceptable 88.03 %
Stabilité du courant de fuite sur 2h 95.32 %
17II. Caractéristiques du module XRDPIX
1. Détecteurs CdTe Schottky
7267 DÉTECTEURS
disponibles sélectionnés
17II. Caractéristiques du module XRDPIX
Relation de Hecht
A545Profondeur5d’interac=on5x05=52/355d B545Profondeur5d’interac=on5x05=5d/2
µn!n µn!n
I(t)
I(t)
électrons électrons
µp!p µp!p
trous trous
t t
Nq/CF Nq/CF
ΔQ5pertes5 ΔQ5pertes5
+
h+ h
Vout
Vout
+
+
+5h
+5h
e 54
e 54
tvn tvp t tvn tvp t
18II. Caractéristiques du module XRDPIX
2. Réponse spectrale
Relation de Hecht
A545Profondeur5d’interac=on5x05=52/355d B545Profondeur5d’interac=on5x05=5d/2
µn!n µn!n
I(t)
I(t)
électrons électrons
µp!p µp!p
trous trous
t t
Nq/CF Nq/CF
ΔQ5pertes5 ΔQ5pertes5
+
h+ h
Vout
Vout
+
+
+5h
+5h
e 54
e 54
tvn tvp t tvn tvp t
18II. Caractéristiques du module XRDPIX
Relation de Hecht
a b
19II. Caractéristiques du module XRDPIX
2. Réponse spectrale
Relation de Hecht
a b
1/2 FWHM
Centroïde
Asymétrie
19II. Caractéristiques du module XRDPIX
2. Réponse spectrale
Évolution de l’asymétrie de la raie
à 59.54 keV (241Am)
20II. Caractéristiques du module XRDPIX
2. Réponse spectrale
Évolution de l’asymétrie de la raie
à 59.54 keV (241Am)
Pertes balistiques Pertes de charges
20II. Caractéristiques du module XRDPIX
2. Réponse spectrale
Homogénéité des produits mobilité -
durée de vie (µ!) des porteurs de charges
HT: - 450 V Tp: 6.8 µs
21II. Caractéristiques du module XRDPIX
Injection de 4 charges étalons sur l’entrée Vtest (32 voies XRDPIX)
Ajustement gaussien des raies du spectre échantillonné dans le temps.
Calcul du gain et de l’offset (relation linéaire charge injectée - énergie codée)
GAIN
22II. Caractéristiques du module XRDPIX
3. Relation canal - énergie
Injection de 4 charges étalons sur l’entrée Vtest (32 voies XRDPIX)
Ajustement gaussien des raies du spectre échantillonné dans le temps.
Calcul du gain et de l’offset (relation linéaire charge injectée - énergie codée)
GAIN
22II. Caractéristiques du module XRDPIX
3. Relation canal - énergie
Dérive des coefficients avec le courant de fuite des détecteurs
Évolution de la dérive des coefficients dans le temps
Déplacement du centroïde contenu dans un canal du spectre
Importance de l’évolution de l’offset pour des photons près du seuil de détection
23II. Caractéristiques du module XRDPIX
Céramiques ASIC
Injection de charges étalons sur l’entrée Vtest
Calcul du gain de la voie en fC/mV
Calcul du bruit ENC par un ajustement gaussien
24E 2 = 2.352 F ‘w E“ + 2.352 ‘2w ENCtot 2 + 2
Epertes (4.2)
II. Caractéristiques du module XRDPIX
où F est le
4.facteur de Fano,
Qualité de E“ l’énergie des photons incidents, ‘w l’énergie de création
l’hybridation
de paires et Epertes
2
traduisant les pertes de charge. La contribution du bruit total
de la chaine s’explicite sous la forme : Céramiques ASIC
Injection de charges étalons sur l’entrée V
2 1
ENCtot 2 2
= –s Ctot + –1/f Ctot + –// Il ts Calcul du gain de la voie en fC/mV(4.3)
ts
Calcul du bruit ENC par un ajustement gaussien
La distribution des résolutions de la raie de 59.54 keV du spectre d’ 241 Am est
particulièrement intéressante pour tracer l’évolution du bruit en fonction des para-
mètres instrumentaux. Le terme Epertes régulièrement utilisé dans la littérature
reflète la variabilité de la quantité de paires électron-trou collectées inhérant aux
pertes de charges par des mécanismes de recombinaison, de piégeage ou de temps
de collection trop court. Dans le cas où les pertes de charges sont conséquentes la
F 4.5 – Superposition de 32 spectres d’241 Am réa-
lisés en phase de recette sur l’XRDPIX 5 à une tension
de -400V avec un temps de sommet de 2.6µs. Les prin-
cipales raies d’émission de la source sont produites par
(1) - transition L1 du 237 Np (11.89 keV), (2) - transition
L– du 237 Np (13.9 keV), (3) - transition L—÷ du 237 Np
(17.8 keV), (4) : transition L“ du 237 Np (20.82 keV), (5),
(6’) et (9) - Désexcitation de l’241 Am (26.34, 33.2 et 59.54
keV). D’autres raies instrumentales sont présentes (6) -
Raie d’échappement K– du tellure (59.54-27.5 keV), (7) -
Raie d’échappement du cadmium (59.54-23.2 keV) et (8)
- Rétrodiffusion des photons de 59.54 keV. Ces spectres
24
ne comptabilisent que des événements simples aussi, lesII. Caractéristiques du module XRDPIX
4. Qualité de l’hybridation
Céramiques ASIC
Courant de compensation théorique : 20 pA
Capacité total d’entrée du PAC attendue : 5.6 pF
Gevin et al. 2009
25II. Caractéristiques du module XRDPIX
4. Qualité de l’hybridation
Céramiques Détecteurs
Avant collage
Après collage
Apparition de caractéristiques I-V non linéaires sur
33% des voies à -20°C
Augmentation du nombre de détecteurs présentant
une décroissance du courant de fuite dans le temps.
26II. Caractéristiques du module XRDPIX
4. Qualité de l’hybridation
Céramiques Détecteurs
Avant collage
Après collage
Augmentation significative du courant de
fuite médian après collage des détecteurs
Diminution du courant de fuite après
dégazage sous vide pendant 48h à 60°C
27actions, principalement de nature photoélectrique. Ces grandeurs instrumentales
sont calculées à partir d’observables spectrales telles que la résolution en énergie ou
II.le centroïde.
Caractéristiques du module XRDPIX
Rappelons que la largeur à mi-hauteur d’une raie dépourvue de raies
4. Qualité
satellites de l’hybridation
non résolues correspond à la somme quadratique de l’ensemble des bruits
du module de détection : Bruit total XRDPIX
E 2 = 2.352 F ‘w E“ + 2.352 ‘2w ENCtot 2 +
FWHM 2
Epertes (4.2)
où F est le facteur de Fano, E“ l’énergie des photons incidents, ‘w l’énergie de création
de paires et Epertes
2
traduisant les pertes de charge. La contribution du bruit total
de la chaine s’explicite sous la forme :
2 2 1 2
ENCtot = –s Ctot + –1/f Ctot + –// Il ts (4.3)
ts
La distribution des résolutions de la raie de 59.54 keV du spectre d’ 241 Am est
particulièrement intéressante pour tracer l’évolution du bruit en fonction des para-
mètres instrumentaux. Le terme Epertes régulièrement utilisé dans la littérature
reflète la variabilité de la quantité de paires électron-trou collectées inhérant aux
pertes de charges par des mécanismes de recombinaison, de piégeage ou de temps
de collection trop court. Dans le cas où les pertes de charges sont conséquentes la
28actions, principalement de du module
nature de détection : Ces grandeurs instrumentales
photoélectrique.
sont calculées à partir d’observables spectrales telles que la résolution en énergie ou
II.le centroïde.
Caractéristiques du module 2XRDPIX
= 2.35 2
Rappelons que la largeur à mi-hauteur d’une
E F ‘ w E“ + 2.352 2
‘ ENC tot
2
+
w raie dépourvue
E 2
pertesde raies
4. Qualité
satellites de l’hybridation
non résolues correspond à la somme quadratique de l’ensemble des bruits
du module de détection : où F est le facteur de Fano, E“ l’énergie des photons incidents
de paires et Epertes
2
traduisantBruit total de
les pertes XRDPIX
charge. La con
FWHM de2la
E 2 = 2.352 F ‘ E + 2.35 chaine 2s’explicite
‘2 ENC + E 2 sous la forme : (4.2)
w “ w tot pertes
2 2 1 2
où F est le facteur de Fano, ENC =
E“ l’énergietotdes photons
– C
s tot + –1/f tot +‘–
incidents,
C l’énergie
w // de création
Il ts
ts
de paires et Epertes
2
traduisant les pertes de charge. La contribution du bruit total
de la chaine s’explicite sous la forme :
La distribution des résolutions de la raie de 59.54 keV
particulièrement intéressante pour tracer l’évolution du bru
2 1 mètres
2
ENCtot = –s Ctot + –1/f 2
Ctot +instrumentaux.
–// Il ts Le terme Epertes régulièrement ut
(4.3)
ts reflète la variabilité de la quantité de paires électron-trou
pertes de charges par des mécanismes de recombinaison, d
La distribution des résolutions de latrop
de collection raiecourt.
de 59.54
DanskeV du où
le cas spectre d’ de
241
les pertes Amchargest
particulièrement intéressante pour tracer l’évolution du bruit en fonction des para-
mètres instrumentaux. Le terme Epertes régulièrement utilisé dans la littérature
reflète la variabilité de la quantité de paires électron-trou collectées inhérant aux
pertes de charges par des mécanismes de recombinaison, de piégeage ou de temps
de collection trop court. Dans le cas où les pertes de charges sont conséquentes F la
4.5 – Superp
lisés en phase de re
de -400V avec un te
cipales raies d’émis
(1) - transition L1 d
L– du 237 Np (13.9
(17.8 keV), (4) : tran
28
(6’) et (9) - DésexcitII. Caractéristiques du module XRDPIX
4. Qualité de l’hybridation
Bruit total XRDPIX
Bruit total de l’XRDPIX cohérent avec les performances CA
Augmentation significative du courant de fuite après contre-collage
Capacité total d’entrée du PAC : ~ 8 pF
241
Am
pF pF
6.
2 8 Vtest
- 450V
CA CD
29II. Caractéristiques du module XRDPIX
4. Qualité de l’hybridation
Seuil bas physique
Acquisition du spectre de bruit d’obscurité voie par voie
Ajustement gaussien de l’épaule à haute énergie
Calcul de la distribution cumulative de coups due au bruit électronique
30II. Caractéristiques du module XRDPIX
4. Qualité de l’hybridation
Seuil bas physique
Procédure chronophage ~ 156 h de test par XRDPIX
Seuils bas physiques mesurés de manière « instantanée »
Corrélation entre seuil bas physique et résolution spectrale
31III. Optimisation des performances et Opérabilité en vol
4. Qualité de l’hybridation
Bruit total et seuil bas
32II. Caractéristiques du module XRDPIX
Faible efficacité quantique pour Eɣ < 5 keV
Nécessite de connaitre le nombre de photons
provenant de la source
Différences de surfaces (respect des tolérances)
Variation de l’épaisseur de la couche de Pt
Position sur l’XRDPIX
33II. Caractéristiques du module XRDPIX
5. Uniformité des comptages
Faible efficacité quantique pour Eɣ < 5 keV
Nécessite de connaitre le nombre de photons
provenant de la source
Différences de surfaces (respect des tolérances)
Variation de l’épaisseur de la couche de Pt
Position sur l’XRDPIX
33II. Caractéristiques du module XRDPIX
5. Uniformité des comptages
Temps d’arrivée des photons
t
241
Datation : 10 µs Am (400 kBq)
34dans le pixel étudié de telle sorte q
II. Caractéristiques du module XRDPIX vérifier son caractère poissonnien
5. Uniformité des comptages une simulation numérique (en v
respondant au nombre de coups
Temps d’arrivée des photons
suivante (Berkson, 1975) :
Δt A B
1
P ( t Ø t) = exp ≠
t µ· t
La distribution d’événements
le taux
241
de coups moyen µ· mesu
Datation : 10 µs Am (400 kBq)
d’événements détectés dans le pi
de Kolmogorov-Smirnov me donn
distributions suivent la même loi
tion où les instabilités se dévelop
quasi nulle que les deux distribu
ment (en rouge) de la partie supé
230 ms en utilisant la relation (
Je trouve une valeur µ· = 11.8 cp
la source d’241 Am. Cette distribut
des intervalles de temps d’arrivée
plémentaire pour caractériser le
Validation de la datation
34 en dessous duquel l’écart entre laII. Caractéristiques du module XRDPIX
5. Uniformité des comptages
Apparition de coups « non-poissonniens » dans certaines configurations pour les voies 8 et 16
Taux de multiples produit par la voie 8 anormalement élevé (impact comptage en mode single events)
Rétroaction du signal Trigger 30 et 60 µs après le déclenchement de l’ASIC
Forte influence du paramètre RSM (mltp ~ 1% en RSM1)
l 8 et 16
P i x e
241
Datation : 10 µs Am (400 kBq)
35II. Caractéristiques du module XRDPIX
5. Uniformité des comptages
Perturbations
Apparition de coups « non-poissonniens » dans certaines configurations pour les voies 8 et 16
Taux de multiples produit par la voie 8 anormalement élevé (impact comptage en mode single events)
Rétroaction du signal Trigger 30 et 60 µs après le déclenchement de l’ASIC
Forte influence du paramètre RSM (mltp ~ 1% en RSM1)
l 8 et 16
P i x e
241
Datation : 10 µs Am (400 kBq)
35II. Caractéristiques du module XRDPIX
5. Uniformité des comptages
Instabilités du taux de comptage
12.5 % des voies testées
36II. Caractéristiques du module XRDPIX
5. Uniformité des comptages
Instabilités du taux de comptage
Apparition d’un excès dans la distribution des différences de temps d’arrivée des événements
Indépendance vis à vis du taux de coups ou du nombre de voies autorisées à déclencher
Répartition aléatoire des voies instables d’un XRDPIX à l’autre
Forte influence de la haute tension
241
Datation : 1 ms Am (400 kBq)
37II. Caractéristiques du module XRDPIX
5. Uniformité des comptages
Instabilités du taux de comptage
38II. Caractéristiques du module XRDPIX
5. Uniformité des comptages
Instabilités du taux de comptage
stable i on I n s table
i on rat
Configu
ra t Configu
38III .
DPIX
Optimisation des performances
&
Opérabilité en vol
39III. Optimisation des performances et Opérabilité en vol
1. Effet de polarisation
Phénomène réversible après coupure de la HT
Influence exponentielle de la température (dépiégeage de trous majoritaires)
Dépendance de la tension de polarisation sur la taille de la zone de déplétion
15 h
-18°C -200 V 24h
241
Am
55
Fe
-18°C -200 V 24h
40III. Optimisation des performances et Opérabilité en vol
Validation du codage des évènements saturants par la chaine
électronique de lecture
Particules α (30 MeV) : re-déclenchements dans 26.5% des cas en
RSM0 contre 6.5% en RSM1. Protons (20 MeV) ~ 2.6% en RSM1
Temps de « desaturation » dépendant de l’énergie déposée
Réponse spectrale des détecteurs inaltérée
41III. Optimisation des performances et Opérabilité en vol
2. Effet des particules chargées
Validation du codage des évènements saturants par la chaine
électronique de lecture
Particules α (30 MeV) : re-déclenchements dans 26.5% des cas en
RSM0 contre 6.5% en RSM1. Protons (20 MeV) ~ 2.6% en RSM1
Temps de « desaturation » dépendant de l’énergie déposée
Réponse spectrale des détecteurs inaltérée
41III. Optimisation des performances et Opérabilité en vol
Méthodologie
a b
Acquisition des données
(spectres, courbes de lumières, distribution des temps d’arrivée etc.)
Extraction des observables
(Résolution spectrale, seuil bas, taux de multiples, variabilité etc.)
Évolution des observables en fonction des paramètres instrumentaux
Suivi d’indicateurs statistiques calculés à partir des distributions
42III. Optimisation des performances et Opérabilité en vol
3. Zone de fonctionnement des XRDPIX
Méthodologie
a b
Acquisition des données
(spectres, courbes de lumières, distribution des temps d’arrivée etc.)
Extraction des observables
(Résolution spectrale, seuil bas, taux de multiples, variabilité etc.)
Évolution des observables en fonction des paramètres instrumentaux
Suivi d’indicateurs statistiques calculés à partir des distributions
42III. Optimisation des performances et Opérabilité en vol
3. Zone de fonctionnement des XRDPIX
Bruit total et seuil bas Instabilités du taux de comptage
43III. Optimisation des performances et Opérabilité en vol
3. Zone de fonctionnement des XRDPIX
Multiplicité pixels 8 et 16
RSM0 RSM1
44III. Optimisation des performances et Opérabilité en vol
3. Zone de fonctionnement des XRDPIX
45III. Optimisation des performances et Opérabilité en vol
3. Zone de fonctionnement des XRDPIX
RSM1 Seuil Bas < 4 keV
Aucune instabilité du taux de comptage
Multiplicité pixel 8 et 16 nominale
Configuration stable testée à -18°C sur 24 h
45IV .
CONCLUSIONS
46IV. Conclusions
1. Bilan
Réponse de l’XRDPIX au exigences scientifiques ?
Performances et homogénéité des détecteurs sélectionnés pour le modèle de vol
Contrôle de la qualité du processus d’hybridation après collage et contre-collage
Propriétés de collection de charge acceptables, produits µ! homogènes
Dérive du gain et de l’offset de l’ASIC limitée dans un canal du spectre pour Eɣ < 100 keV
Comptages homogènes dans les erreurs pour Eɣ > 10 keV
Courants significativement plus importants après contre-collage
Identification d’une rétroaction du signal Trigger sur les comptages des pixels 8 et 16
Instabilité du taux de comptage pour des voies avec un fort courant de fuite
Optimisation des performances et opérabilité en vol ?
Acquisition de données photons dans 70 configurations pour 6 XRDPIX
Zone de fonctionnement stable identifiée sur des critères statistiques acceptables
Effet de polarisation négligeable à -18°C et -200 V pendant au moins 24 h
Effet des particules chargées limité en RSM1 pour Tp < 4.4 µs (re-declenchement)
47IV. Conclusions
1. Bilan
Réponse de l’XRDPIX au exigences scientifiques ?
Performances et homogénéité des détecteurs sélectionnés pour le modèle de vol
Succès
Contrôle de la qualité du processus d’hybridation après collage et contre-collage
Propriétés de collection de charge acceptables, produits µ! homogènes
Dérive du gain et de l’offset de l’ASIC limitée dans un canal du spectre pour Eɣ < 100 keV
Comptages homogènes dans les erreurs pour Eɣ > 10 keV
Courants significativement plus importants après contre-collage
Points durs
Identification d’une rétroaction du signal Trigger sur les comptages des pixels 8 et 16
Instabilité du taux de comptage pour des voies avec un fort courant de fuite
Optimisation des performances et opérabilité en vol ?
Acquisition de données photons dans 70 configurations pour 6 XRDPIX
Zone de fonctionnement stable identifiée sur des critères statistiques acceptables
Effet de polarisation négligeable à -18°C et -200 V pendant au moins 24 h
Effet des particules chargées limité en RSM1 pour Tp < 4.4 µs (re-declenchement)
47IV. Conclusions
Étude de l’influence du dégazage sur les performances d’un XRDPIX
Test de solutions matérielles pour mieux comprendre les instabilités
Test de la zone de fonctionnement sur le prototype du DPIX (50 modules)
Simulation et mesure de l’impact du RSM1 sur le temps mort à 105 coups /s sur la caméra
Mise en place de mesures d’efficacité quantique sur entre 4 et 80 keV
pour produire la matrice d’efficacité à implémenter dans l’UGTS
Optimiser les bases de donnée de spectres pour calculer la distribution
des produits µ! des détecteurs de vol
Améliorer le modèle de réponse spectrale des XRDPIX pour calculer
la première RMF et faire des prédictions de performances scientifiques
48IV. Conclusions
1. Perspectives
Court terme
Étude de l’influence du dégazage sur les performances d’un XRDPIX
Test de solutions matérielles pour mieux comprendre les instabilités
Test de la zone de fonctionnement sur le prototype du DPIX (50 modules)
Simulation et mesure de l’impact du RSM1 sur le temps mort à 105 coups /s sur la caméra
Moyen terme
Mise en place de mesures d’efficacité quantique sur entre 4 et 80 keV
pour produire la matrice d’efficacité à implémenter dans l’UGTS
Optimiser les bases de donnée de spectres pour calculer la distribution
des produits µ! des détecteurs de vol
Améliorer le modèle de réponse spectrale des XRDPIX pour calculer
la première RMF et faire des prédictions de performances scientifiques
48MERCI
IV. Conclusions
1. Perspectives
Court terme
Étude de l’influence du dégazage sur les performances d’un XRDPIX
Test de solutions matérielles pour mieux comprendre les instabilités
Test de la zone de fonctionnement sur le prototype du DPIX (50 modules)
Simulation et mesure de l’impact du RSM1 sur le temps mort à 105 coups /s sur la caméra
Moyen terme
Mise en place de mesures d’efficacité quantique sur entre 4 et 80 keV
pour produire la matrice d’efficacité à implémenter dans l’UGTS
Optimiser les bases de donnée de spectres pour calculer la distribution
des produits µ! des détecteurs de vol
Améliorer le modèle de réponse spectrale des XRDPIX pour calculer
la première RMF et faire des prédictions de performances scientifiques
51Bruit total et seuil bas Valeur médiane Proportion de détecteurs non conformes
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