A new CdTe-based spectro-imager with very high spatial and spectral resolution for X- and gamma-rays astronomy

Nouveau spectro-imageur CdTe à très haute résolution spatiale et spectrale pour l'astronomie X et gamma

Sebastien Dubos (1)

1 DAP - Département d'Astrophysique (ex SAP)

The thesis work presented in the manuscript corresponds to the first development phase of the MC2 project, an ambitious R & D effort to realize a new type of CdTe-based imaging spectrometer for future hard X- and gamma-rays astronomy missions. The objective is to achieve a 300 micron-pitch pixelated detector plane hybrided with a very low noise front-end electronics for a total pixel density multiplied by 4 compared to the most advanced system recently available in the laboratory (Caliste HD module). Moreover, thanks to the joint development of reading circuits adapted to the interconnection of pixelated detectors with low capacitance and low leakage current, spectroscopic performances of such system are assumed to approach inherent limitations of the CdTe detector, specifically for the lowest energies. My work was organized in parallel and complementary areas: evaluation of current systems, feedback and identification of issues associated with the development of highly-resolved detection planes, implementation and complete characterization of a new two-dimensional ASIC specifically developed for this application, and modelling and study of the associated sensor to optimize the design of the detector pattern. Finally, a first hybrid prototype was completed and first experimental tests thereby conducted.

Le travail de thèse présenté dans le manuscrit s'inscrit dans le cadre de la première phase de développement du projet MC2, un effort de R&D ambitieux visant à mettre sur pied un nouveau type de spectro-imageur en CdTe pour de futures missions d'astronomie X-dur et gamma. L'objectif est de réaliser un plan de détection pixelisé au pas de 300 microns couplé à une électronique frontale hautes performances, pour une densité de pixels multipliée par 4 par rapport au système le plus avancé récemment achevé au laboratoire (instrument Caliste HD). Par ailleurs, grâce à la réalisation conjointe de circuits de lecture adaptés à l'interconnexion de détecteurs pixelisés de faible capacité électrique et de faible courant de fuite, la réponse en spectrométrie de tels systèmes se rapproche des limites intrinsèques du détecteur. Mon travail s'est organisé selon des axes parallèles et complémentaires : évaluation des systèmes actuels, retour d'expérience et mise en évidence des problématiques associées à la réalisation de spectro-imageurs de pas encore plus réduits, mise en oeuvre et caractérisation complète d'une électronique frontale 2D spécifiquement développée pour cette application, puis modélisation et étude du capteur associé afin d'optimiser le design de ce dernier. Enfin, un tout premier prototype d'hybride complet a été réalisé et les premiers tests expérimentaux menés.

Keywords: CdTe Detector; Spectro imaging; Instrumentation and Detectors; Space instrumentation; Satellite Instruments; X-rays and gamma-rays; X-rays detector; Spectrometers and spectroscopic instrumentation; X-rays Astronomy; Gamma astronomy; Electronics readout; Front-end ASICs; Front-end Electronics and Readout; Preamplifiers; Charge Collection Efficiency; Charge Collection Model; Charge Measurement; Charge Sensitive Amplifier; Charge Transport; R&D Projects; Charge sharing; Test Bench; Space Applications; Semi conductor sensors; Si Detector; Pixel array detectors; Pixel electronics; Radiation Hardening; Radiation Detection

Keywords: Rayons X de haute énergie; Astronomie X et γ; Asics; Microelectronique; Partage de charge; Banc de test; Détecteurs semi-conducteur CdZnTe; Détecteurs semiconducteurs; Simulation 3D en élément finis; Simulation GEANT4; Spectrométrie X et gamma; CdTe; Spectro-Imagerie; Détecteurs en satellite; Instrumentation Spatiale; Instrumentation astronomique; Spectro-imagerie X

Domains: Instrumentation and Methods for Astrophysic [astro-ph.IM]; Instrumentation and Detectors [physics.ins-det]; Electronics

Sebastien Dubos. Nouveau spectro-imageur CdTe à très haute résolution spatiale et spectrale pour l'astronomie X et gamma. Instrumentation et méthodes pour l'astrophysique [astro-ph.IM]. Université Sorbonne Paris Cité; Université Paris 7 - Denis Diderot; Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA); Centre National d'Etudes Spatiales (CNES), 2015. Français. ⟨NNT : 2015USPCC159⟩. ⟨tel-02457677⟩