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
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 5
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 GRB090423 : 600 million d’années après le Big Bang ! 5
I. 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 6
I. 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 6
I. 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 7
I. 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 7
I. SVOM - détecteur de sursauts Gamma 1. Objectifs de la mission SVOM 8
I. 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 GFTs
I. SVOM - détecteur de sursauts Gamma 1. Objectifs de la mission ECLAIRs
I. 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 9
I. 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 9
I. 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 10
I. 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 10
a 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 12
a 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 12
II . Caractéristiques du module XRDPIX
II. 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 IRAP
II. 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 15
II. 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 15
reported 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 % 17
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 % 17
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 % 17
II. Caractéristiques du module XRDPIX 1. Détecteurs CdTe Schottky 7267 DÉTECTEURS disponibles sélectionnés 17
II. 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 18
II. 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 18
II. Caractéristiques du module XRDPIX Relation de Hecht a b 19
II. Caractéristiques du module XRDPIX 2. Réponse spectrale Relation de Hecht a b 1/2 FWHM Centroïde Asymétrie 19
II. Caractéristiques du module XRDPIX 2. Réponse spectrale Évolution de l’asymétrie de la raie à 59.54 keV (241Am) 20
II. Caractéristiques du module XRDPIX 2. Réponse spectrale Évolution de l’asymétrie de la raie à 59.54 keV (241Am) Pertes balistiques Pertes de charges 20
II. 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 21
II. 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 22
II. 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 22
II. 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 23
II. 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 24
E 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, les
II. 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 25
II. 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. 26
II. 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 27
actions, 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 28
actions, 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) - Désexcit
II. 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 29
II. 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 30
II. 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 31
III. Optimisation des performances et Opérabilité en vol 4. Qualité de l’hybridation Bruit total et seuil bas 32
II. 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 33
II. 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 33
II. Caractéristiques du module XRDPIX 5. Uniformité des comptages Temps d’arrivée des photons t 241 Datation : 10 µs Am (400 kBq) 34
dans 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 la
II. 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) 35
II. 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) 35
II. Caractéristiques du module XRDPIX 5. Uniformité des comptages Instabilités du taux de comptage 12.5 % des voies testées 36
II. 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) 37
II. Caractéristiques du module XRDPIX 5. Uniformité des comptages Instabilités du taux de comptage 38
II. 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 38
III . DPIX Optimisation des performances & Opérabilité en vol 39
III. 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 40
III. 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 41
III. 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 41
III. 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 42
III. 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 42
III. Optimisation des performances et Opérabilité en vol 3. Zone de fonctionnement des XRDPIX Bruit total et seuil bas Instabilités du taux de comptage 43
III. Optimisation des performances et Opérabilité en vol 3. Zone de fonctionnement des XRDPIX Multiplicité pixels 8 et 16 RSM0 RSM1 44
III. Optimisation des performances et Opérabilité en vol 3. Zone de fonctionnement des XRDPIX 45
III. 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 45
IV . CONCLUSIONS 46
IV. 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) 47
IV. 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) 47
IV. 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 48
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 48
MERCI
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 51
Bruit total et seuil bas Valeur médiane Proportion de détecteurs non conformes
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