Détecteurs spatiaux à l'IN2P3 en astrophysique des hautes énergies* - Vincent Tatischeff (CSNSM/IN2P3)
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Détecteurs spatiaux
à l’IN2P3
en astrophysique des
hautes énergies*
Vincent Tatischeff (CSNSM/IN2P3)
* Pour la cosmologie, voir l’exposé d’Hervé Dole
Journées Prospectives du LLR 21-22 octobre 2015
Plan de l’exposé
❚ Détection des rayons cosmiques
! AMS-02
! CREAM
! JEM-EUSO et ses pathfinders
❚ Astronomie X
! Astro-H (2016)
! Athena (2028)
❚ Astronomie gamma
! INTEGRAL
! Fermi
! SVOM (2021)
! L’après INTEGRAL/Fermi/SVOM:
o HARPO
o AstroMeV/ASTROGAM
Vincent Tatischeff Journées Prospectives du LLR 21-22 octobre 2015
Détection des rayons
cosmiques
Vincent Tatischeff Journées Prospectives du LLR 21-22 octobre 2015
EUSO-Ballon, 24-25 août 2014
(Timmins, Canada)"
"
Peter von Ballmoos
"
EUSO et ses pathfinders"
scientific context : Ultra-High Energy Cosmic Rays"
technological objectives "
Étienne Parizot + Guillaume Prévôt (APC)"
instrument and mission status"
Présentation globale : contexte
" La mission JEM-EUSO (observatoire spatial, ISS) :
Observation des rayons cosmiques d’ultra-haute énergie ( > 5.10 19 eV)
Pour la première fois depuis l’espace
Avec une acceptance sans précédent (très supérieure à Auger)
Aux énergies extrêmes (~10 20 eV)
20/03/2015 CSP Euso Ballon 5
Vers JEM-EUSO…
Mission spatiale visée: JEM-EUSO
Free flyer # proposal M5 soumis à l’ESA en 2016
# proposal MidEx soumis à la NASA en 2016
Missions préliminaires :
• EUSO-Ballon, mission CNES, a volé en août 2014 au Canada (succès
# validation du concept + nombreuses publications en cours)
• EUSO-TA: mission sol sur le site de Telescope Array (en cours # succès)
• EUSO-Balloon, mission NASA, vol de longue durée (30–40 jours) en
Nouvelle-Zélande (mars 2017), avec en principe les premières détections
(historiques !) de gerbes cosmiques en vol
• mini-EUSO: mission ASI/ROSCOSMOS, acceptée et financée:
installation en mai 2017 sur l’ISS par une astronaute italienne
20/03/2015 CSP Euso Ballon 6
Les pathfinders
EUSO-TA (Japon)
Un pathfinder au sol EUSO-Ballon (France)
Un pathfinder à bord d’un ballon
stratosphérique
EUSO-TA"
Mini-EUSO (Italie+Russie)
Un pathfinder à bord de l’ISS
20/03/2015 CSP Euso Ballon 7
Mini-EUSO" à bord de l’ISS"
Concept instrumental
Télescope à 3 lentilles de Fresnel (FoV ± 6°)!
1 module de photodétection PDM et 1 module calculateur de bord DP"
"
PDM (Photo-Detection Module) :
Filtres + 36 MAPMT + Cartes front
end + 36 ASICs + HVPS (C-W) + Batteries
carte FPGA
DP (Data Processing) :
CPU, GPRS, CCB, HK,
CLOCK, LVPS
Lentilles + spiders
Crashpad
20/03/2015 CSP Euso Ballon 9
Workpackages français
OMEGA ASICs
LAL design détecteur / électronique de front-end
APC Gestion de projet / tri PMT / intégration / étalonnage
IRAP Nacelle ballon / intégration EUSO-Ballon / mesures optiques
Workpackages possibles (sur missions déjà acceptées)
Tests du détecteur en pression (3 mbar) et température (0°C– 50°C)
WP à discuter avec les partenaires internationaux
Simulations diverses
+ Workpackages à discuter pour la mission EUSO finale
20/03/2015 CSP Euso Ballon 10UNE PARTIE DE L’EQUIPE EUSO-BALLOON à Timmins, août 2014" 20/03/2015 CSP Euso Ballon 11
Astronomie X Vincent Tatischeff Journées Prospectives du LLR 21-22 octobre 2015
$ Astro-H est le 6ème satellite japonais
d’astronomie X/X dur (0.5 –
600 keV).
$ Il est dédié à l’observation de la
structure et de l’évolution de
l’univers et des phénomènes à haute
énergie: trous noirs (Noyaux Actifs
de Galaxie), explosions de
supernovae, GRB, amas de galaxies.
$ Miroirs X/X dur + 4 types
d’instruments:
• Hard X-ray Imager (HXI).
• Soft X-ray Spectrometer (SXS).
• Soft X-ray Imager (SXI).
• Soft Gamma-ray Detector (SGD).
$ Date de lancement: 2016.
$ Responsable IN2P3: Ph. LAURENT 13Contributions APC/AIM:
• étude des cristaux BGO (HXI et SGD).
• sources calibration vol HXI.
• Tests longue durée détecteur CdTe du
HXI.
• Centre de données Astro-H français au
FACe (en discussion).
Après le lancement, les travaux envisagées par les équipes françaises se feront
selon les axes suivants :
• Observation et analyse des données de polarisation X dur (HXI) et gamma (SGD)
des candidats trou noir galactiques et extragalactiques.
• Etude multi-longueur d’onde des noyaux actifs de galaxies.
• Observations des régions centrales de la Galaxie.
14ESA Cosmic Vision Large
mission on the Hot and
Energetic Universe
IN2P3 Projet Athena
Andrea
Goldwurm
15
Laboratoire
Astro-‐Par5cule
et
Cosmologie
Athena
Mission
• ATHENA is the large X-ray (0.1-15 keV) Observatory of the approved ESA
Cosmic Vision L2 mission for the study of the Hot & Energetic Universe
• Science: structure & formation of Galaxy Clusters, growth & evolution of
massive Black Holes in the Universe and many other high-energy
astrophysics/astroparticle topics like accretion/jets in compact objects,
particle acceleration and non-thermal emission, hot plasmas, etc..
• ATHENA is a satellite carrying a large (~ 2 m² effective area) X-ray mirror
at 12 m from 2 focal plane instruments: the wide field imager WFI and the
spectral-imager X-IFU with un-precedent spectral resolution (2.5 eV).
• X-IFU spectral-imager is based on new technology for X-ray bolometers
(TES+SQUID) similar to sub-mm cryo-bolometers used for CMB studies
• Presently in Phase A till 2018, launch in 2028, 10 yr operations: long term
project structuring HE community and science of next 20+ yr. France
deeply involved with INSU labs and CNES (X-IFU PI-ship), important
opportunity for astro-particle labs of IN2P3.
16
X-ray Mirrors
ESA
PI IRAP / Project Team CNES France
PI MPE Garching Germany
17
APC “Astrophysique des Hautes Energies” and “Cosmo” groups have strong
interest in Athena Science: Galactic Center, clusters of galaxies surveys,
AGN / Blazars, particle acceleration and interactions in SNR and ISM, GRBs.
Thanks to the large expertise acquired on the micro electronics of cryogenic
bolometers APC participates, with support of CNES, to the X-IFU instrument:
• With the responsibility of a key subsystem of the readout chain of the X-
IFU spectrometer, the Warm Front End Electronics:
" Read out ASICs providing Low Noise Amplification and SQUID biases
" Electronic card, filters, mechanical box and all needed interfaces
" Radiation tests, integration and tests, delivery
• With a contribution to Athena simulations to evaluate background in X-IFU
• Plus some tbd (FACe) contribution to Athena Science Ground Segment
APC Athena Team: ~ 5 scientists, 3 micro-electronic engineers (ASICs) and a
system team of 4 - 6 fte for the overall WFEE system, resp. scientifique A.
Goldwurm (APC/CEA), chef de projet C. Olivetto (APC/CNRS) 18Astronomie gamma Vincent Tatischeff Journées Prospectives du LLR 21-22 octobre 2015
SVOM Prospective LRR
SVOM
• SVOM = Space-based multiband astronomical Variable Objects Monitor
• SVOM mission Sino-Francaise dédiée aux Sursauts gammas (~70 GRBs/an).
• SVOM fonctionnera à l’ère ou les détecteurs d’ondes gravitationnelles (Advanced
LIGO-Virgo) et neutrinos (KM3Net, IceCube) permettront la recherche d’une
corrélation entre les nouveaux messagers et les GRBs.
• Les sursauts détectés par SVOM bénéficieront d’un suivi avec une nouvelle
génération d’instruments : CTA, LSST, JWST, SKA, etc…
• En plus du programme principal dédié aux sursauts (qui représente environ 40% du
temps), du temps d’observation sera disponible dans le cas du programme général
(GP) et une part importante du temps sera réservé aux ToO (Target of Opportunity)
pour suivre les alertes lancées par les différents détecteurs (aLIGO, aVirgo, KM3Net,
LSST…) en bénéficiant des capacités multi-longueurs d’onde de SVOM
• SVOM doit être lancé en 2021 pour une mission d’une durée de 3 (5) ansSVOM et ses instruments
MXT
VT ECLAIRs
GRM
GFT-2 GWAC GFT-1
SVOM Phase B kick-offSVOM@IN2P3*
Labos IN2P3 impliqués et activités techniques principales
APC
ECLAIRs : masque codé
Segment sol : pipeline ECLAIRs du programme général
CPPM
Segment sol : Instrument Center du GFT
LUPM
Segment sol : pipeline GRM au sein du French Science Center
LAL (en cours de développement)
Segment sol : lien avec les ondes gravitationnelles
* Responsable IN2P3 : Cyril Lachaud (APC)ASTROGAM
-‐
a
proposal
for
the
ESA
M4
CV
Program
(2015)
⇒ M5
Call
(2016)
Unprecedented
sensi5vity
in
the
energy
domain
0.3
-‐
100
MeV,
extending
up
to
GeV
energies,
with
polarizaHon
capability:
high-‐energy
physics
at
the
GalacHc
centre,
nucleosynthesis,
acHve
galacHc
nuclei…
ASTROGAM γ-‐ray
mission
proposals
to
ESA
25
25
heritage
M1/M2
(2007)
M3
(2010)
S1
(2012)
M4(2015)
M5(2016)
CLAIRE"
ASTROGAM
NCT" GRI" DUAL"
CAPSITT
COMPTEL! GRIPS I" GRIPS II"
FERMI /
AGILE!
Gamma-Light"AstroMeV Instrument
concepts
26
26
• 3
concepts
discussed
in
detail
at
the
2nd
AstroMeV
workshop
in
Nov.
2013
asCi (all sky Compton Gamma Cube PACT (Pair and Compton
imager; von Ballmoos et al.) (Lebrun et al.) Telescope; Tatischeff et al.)
γ-‐ray
(5
MeV)
Microlens
γ-‐ray
(100
MeV)
array
PlasHc
scinHllator
e-‐
track
Ge-strip detectors SPAD
Si DSSDs + CeBr3
Heritage: NCT/COSI (UC array
e+
Heritage: MEGA, GRIPS
e-‐
Berkeley), DUAL M3 M2/M3 (MPE), Fermi/LAT
Novel concept: imaging
ionization traces in a
plastic scintillator
Interesting! But not
mature enough for ESA’s
M4 and M5 callsGamma cube R&D à l’APC : réalisation d’un démonstrateur (François Lebrun, Régis Terrier et al.) Un bloc de scintillateur plastique (60x60x60 cm3) Lecture plénoptique de la lumière de scintillation pour reconstruire les traces: % Focalisation de la lumière de scintillation par un réseau de lentilles % Détection sur un plan imageur pixellisé sensible au photon unique (matrices de SPADs) Développement d'une matrice de SPADs en technologie CMOS 350: % Codage de l'adresse du pixel touché % Premier prototype en phase de test Principe de codage
Gamma cube : principe de la lecture plénoptique
Image
produite sur
une face du
cube
Phasogramme:
(image repliée)
position
transverse
Périodogramme: Lebrun et al., SPIE Vol. 9144, 2014
position longitudinale (en profondeur) Lebrun et al., FR1352626 - 2013-03-25A ASTROGAM Measurement
principle
29
AC system
Tracker Tracker
Calorimeter
Calorimeter
• Tracker
-‐
Double
sided
Si
strip
detectors
(DSSDs)
for
fine
3-‐D
posiHon
resoluHon
• Calorimeter
-‐
High-‐Z
material
for
an
efficient
absorpHon
of
the
scaYered
photon
⇒
CsI(Tl)
scinHllaHon
crystals
readout
by
Si
Dri[
Diodes
for
beYer
energy
resoluHon
• An5coincidence
detector
to
veto
charged-‐parHcle
induced
background
⇒
plasHc
scinHllator
A ASTROGAM Payload
(M4)
30
30
Detail
of
the
detector-‐ASIC
• Tracker:
70
layers
of
6×6
DSSDs
(=
2520)
of
bonding
in
the
AGILE
Si
Tracker
400
mm
thickness
and
240
mm
pitch
• DSSDs
bonded
strip
to
strip
to
form
2-‐D
ladders
• Light
and
sHff
mechanical
structure
• Ultra
low-‐noise
front
end
electronics
Sandwich
panel
PICSiT
CsI(Tl)
pixel
Design of the calorimeter composed of
• Calorimeter:
12544
CsI(Tl)
1bmodulears
coupled
of at
both
14x14 modules of 64 crystals 64 crystals
ends
to
low-‐noise
Silicon
Dri[
Detectors
• ACD:
segmented
plasHc
scinHllators
coupled
to
SiPM
by
opHcal
fibers
• Heritage:
AGILE,
Fermi/LAT,
AMS-‐02,
INTEGRAL,
Fermi/LAT
AC
system
LHC/ALICE…
ASTROGAM
31
m (Summary) Assessment
of
the
M4
proposal
31
• ASTROGAM
passed
the
first
ESA-‐M4
selecHon
based
on
the
Technical
and
ProgrammaHc
EvaluaHon
(10
proposals
selected
out
of
31
LoIs)
Summary Evaluation Comment
Mission profile Y OK, except unknown Vega performance to low inclination orbit.
Overall simple relatively small platform, except complex thermal design with deployable LHPs.
Spacecraft design Y
Recommendation to move to Vega-C or Soyuz / Ariane 6.2 for extra radiator area.
Spacecraft TRL Y Mostly Ok except deployable radiators/LHP TRL 3/4 in Europe.
Single instrument with huge # units =>LLIs, technology developments and complex on-board
Payload design Y
algorithms.
Payload TRL Y Some technology developments needed (Si ladder bonding, SDDs and ASICs).
GS & Science Ops. G OK, but a lot of autonomy and fast response required for ToOs.
Programmatic / Cost G Mostly OK, cost reasonable but and LLI => risk on 2025 launch.
Implementation Scheme G OK, with ESA procuring parts of the payload (DSSDs and CsI crystals).
General summary Y Some risks identified, but overall the mission seems feasible within M4 boundaries.
• Overall
assessment:
“The
mission
provides
a
very
significant
improvement
over
previous
missions,
in
the
MeV
band
especially,
and
could
be
very
strong.
[…]
Despite
the
remaining
uncertainHes
and
the
impression
of
a
not
yet
fully
matured
Sharing of Responsibility
artner / SL
science
comment
case,
ASTROGAM
is
an
interesHng
mission
proposal”.
⇒ The
Potential science
cost reduction case
with dualmlaunch
ust
busing
e
improved
for
the
VESPA. But re-design M5
proposal
recommended with full Vega-C or Soyuz / Ariane 6.2.
ESA to provide DSSDs and crystals.ASTROGAM
32
Instrument
development
group
32
Institution Country Main activities Main participants
INAF Italy PI coordination. P/L coordination. Data Handling coordination. M. Tavani, A. Argan, M. Marisaldi et al.
Test and calibration of the Calorimeter CsI(Tl) detectors.
Calorimeter FEE.
Calibrations. Science activities.
INFN Italy Screening/characterization of the Si Tracker detectors. A. Morselli, V. Bonvicini, G. Ambrosi et al.
Silicon Tracker production and testing.
Calorimeter FEE (SDDs).
Calibrations. Science activities.
CSNSM France Test and calibration of the Calorimeter CsI(Tl) detectors. V. Tatischeff, J. Peyré, J. Kiener
Calorimeter production and testing.
IN2P3 Calibrations. Science activities.
APC France Anticoincidence system production & testing. P. Laurent
IN2P3 Calibrations. Science activities.
CEA/Irfu France Silicon Tracker FEE. O. Limousin
IRAP France Scientific coordination. P. von Ballmoos
Calibrations. Science activities.
LUPM France Data Handling. Data processing/analysis for the Ground Segment. F. Piron
IN2P3 Calibrations. Science activities.
IPNO France Screening/characterization of the Si Tracker detectors. N. de Séréville
IN2P3 Calibrations.
Univ. Mainz Germany Silicon Tracker back-end electronics. U. Oberlack, M. Alfonsi, A. Brogna et al.
Calorimeter back-end electronics.
Calibrations.
ICE (CSIC-IEEC) Spain Screening/characterization of the Si Tracker detectors. M. Hernanz, M. Lozano
IMB-CNM (CSIC) Calibrations. Science activities.
Univ. Geneva Switzerland Screening/characterization of the Si Tracker detectors. R. Walter, X. Wu
Tracker 2-D Si ladders and tray manufacturing and testing.
Calibrations. Science activities.
Univ. Dublin Ireland Test and calibration of the Calorimeter CsI(Tl) detectors. L. Hanlon
Calibrations. Science activities.
!ASTROGAM
33
Calorimeter
development
plan
33
& Procurement
of
the
Calorimeter
CsI(Tl)
Crystals
-‐ Number:
12
544
'
20
000
with
prototypes,
models
and
spare
detectors
-‐ Possible
manufacturers:
Saint-‐Gobain
Crystals,
Detect
Europ
(Amcrys)
& Screening/characteriza5on
of
the
CsI(Tl)
Crystals
& Calorimeter
front-‐end
electronics
-‐ Silicon
dri[
detectors
manufactured
by
FBK
under
coordinaHon
of
INFN
Trieste
(86
6’’
wafers)
-‐ FEE
ASIC
produced
by
AMS
under
coordinaHon
of
Politecnico
di
Milano
& Calorimeter
back-‐end
electronics
& Design
and
manufacturing
of
the
Calorimeter
modules
-‐ Crystal
dimensions,
wrapping,
opHcal
coupling,
mechanical
structure…
& Calorimeter
produc5on
and
tes5ng
-‐ Structure
and
thermal
model
-‐ Engineering
model
/
engineering
qualificaHon
model
-‐ CalibraHons
( Various
possible
work-‐packages:
mechanics,
prototyping,
qualificaHon…
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