THÈSE DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE Guillaume Nasser

THÈSE
THÈSE
En vue de l’obtention du
DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE
TOULOUSE
Délivré par : l’Université Toulouse 3 Paul Sabatier (UT3 Paul Sabatier)
Présentée et soutenue le 29 septembre 2015 par :
Guillaume Nasser
Caractérisation des modules de détection de la caméra
ECLAIRs pour la mission SVOM
JURY
M. P V B Professeur d’Université Université Toulouse 3
M. P L Ingénieur - Chercheur APC, Paris
M. E C Directeur de Recherche INAF - IASF, Bologna
M. B C Ingénieur - Chercheur CEA, Saclay
M. J-L A Astronome IRAP, Toulouse
M. K M Ingénieur CNES, Toulouse
M. F G Ingénieur CNES, Toulouse
M. O G Maître de Conférences Université Toulouse 3
École doctorale et spécialité :
SDU2E : Astrophysique, Sciences de l’Espace, Planétologie
Unité de Recherche :
Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (UMR 5277)
Directeur de Thèse :
Olivier Godet
Rapporteurs :
Philippe Laurent et Ezio Caroli

Sommaire
AVANT-PROPOS 1
1 Des sursauts gamma à la mission SVOM 7
1.1 Observation des sursauts gamma ...................... 9
1.1.1 Localisation et distances ....................... 9
1.1.2 Caractéristiques temporelles de l’émission prompte ....... 11
1.1.3 Propriétés spectrales ......................... 11
1.2 Modèles théoriques des sursauts gamma .................. 12
1.2.1 Modèle des chocs internes / externes ................ 13
1.2.2 Nature des progéniteurs ....................... 14
1.3 SVOM : mission dédiée à l’étude des sursauts gamma .......... 15
1.3.1 Questions ouvertes à l’ère de Swift et de Fermi .......... 15
1.3.2 Objectifs scientifiques de la mission ................ 16
1.3.3 Charge utile scientifique ....................... 17
1.3.4 Séquence de détection d’un sursaut gamma ............ 18
1.3.5 Stratégie d’observation ........................ 19
1.4 La caméra ECLAIRs ............................. 20
1.4.1 Enjeu scientifique et exigences instrumentales .......... 20
1.4.2 Système d’imagerie à masque codé ................. 21
1.4.3 Présentation de la caméra ...................... 23
1.4.4 Unité de Gestion et de Traitement Scientifique (UGTS) ..... 24
2 Du CdTe Schottky pour ECLAIRs 27
2.1 Physique des détecteurs semiconducteurs ................. 29
2.1.1 Propriétés des semiconducteurs ................... 29
2.1.2 Mécanismes d’interaction des photons avec la matière ...... 33
2.1.3 Formation du signal ......................... 36
2.1.4 Transport et collection de charges ................. 38
2.1.5 Collection de charges incomplète .................. 46
2.2 Un choix technologique justifié ....................... 49
2.2.1 Héritage des instruments à masques codés ............ 49
2.2.2 Caractéristiques du CdTe:Cl - THM ................ 52
2.2.3 Méthode de fabrication ........................ 54
2.3 Particularités du contact Schottky ..................... 54
2.3.1 Contact à l’équilibre ......................... 55
2.3.2 Contact hors équilibre et caractéristique courant-tension .... 57
iii

2.3.3 Caractéristiques du champ électrique ............... 60
2.3.4 Instabilité du CdTe Schottky : l’effet de polarisation ....... 61
2.4 Performances d’un large échantillon statistique .............. 68
2.4.1 Distribution du courant de fuite initial ............... 68
2.4.2 Énergie d’activation .......................... 70
2.4.3 Évolution temporelle du courant de fuite ............. 73
2.4.4 Critères de sélection des détecteurs de vol ............. 75
3 Module élémentaire de détection XRDPIX 79
3.1 Électronique de proximité .......................... 81
3.1.1 Architecture de l’ASIC IDef-X ECLAIRs .............. 82
3.1.2 Sources de bruit ............................ 87
3.2 Hybridation .................................. 91
3.2.1 Anatomie d’un module XRDPIX ................... 91
3.2.2 Céramique ASIC ........................... 93
3.2.3 Céramique Détecteurs ........................ 95
3.3 Chaine électronique de lecture (EGSE)................... 97
3.3.1 Principaux éléments du banc électronique ............. 97
3.3.2 Séquence de lecture de l’ASIC .................... 99
3.3.3 Trame ou "message photon" à décoder ...............101
4 Caractérisation des performances XRDPIX 103
4.1 Spécification technique des besoins .....................105
4.2 Environnements et moyens de test .....................106
4.2.1 Bancs de tests .............................107
4.2.2 Acquisition des données .......................111
4.2.3 Vers l’automatisation par l’exécution de scripts ..........112
4.3 Qualité de l’hybridation ............................113
4.3.1 Protocole de vérification du contre-collage .............113
4.3.2 Étude des propriétés spectrales ...................115
4.3.3 Appareillement et contre collage CA-CD ..............121
4.4 Relation canal-énergie ............................122
4.4.1 Caractéristiques principales .....................122
4.4.2 Stabilité temporelle ..........................125
4.4.3 Relation seuil ASIC – énergie ....................127
4.5 Seuil bas de détection .............................128
4.5.1 Méthodologie ..............................128
4.5.2 Résultats ................................129
4.5.3 Corrélations seuil bas - résolution spectrale ............131
4.6 Instabilités ...................................132
4.6.1 Effet de polarisation .........................132
4.6.2 Instabilités du taux de comptage ..................137
4.7 Étude des comptages .............................147
4.7.1 Efficacité de détection ........................147
4.7.2 Multiplicité et Perturbations ....................149
4.8 Effet des particules chargées .........................152
iv

4.9 Zone de fonctionnement nominale des XRDPIX ..............168
4.9.1 Bilan de bruit total ..........................168
4.9.2 Indicateurs de performance .....................169
4.9.3 Cartographie de la zone de fonctionnement ............171
CONCLUSIONS 175
RÉFÉRENCES 183
Liste des tableaux 187
Bibliographie 189
Résumé/Abstract 202
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