R&D compton

Le télescope ASTROGAM

Vue d’artiste du télescope ASTROGAM proposé à l’ESA lors de son appel M4.

 

Le but de nos travaux de recherche et développement est de préparer un télescope spatial de type Compton et à effet de paires observant le ciel entre 100 keV et 100 MeV et atteignant un niveau de sensibilité comparable à ceux des instruments opérant dans les domaines voisins des rayons X et gamma de haute énergie. Les objectifs scientifiques de ce télescope sont très divers et concernent la nucléosynthèse, l’accélération des rayons cosmiques, l’équation d’état de la matière dense, l’évolution des trous noirs supermassifs, la physique fondamentale… (voir pour plus de détails : http://astromev.in2p3.fr/).

Ce projet, appelé eASTROGAM, sera composé de couches de détecteurs silicium double-face à piste (DSSD) mesurant la trajectoire des particules, et d’un calorimètre en cristal scintillant. Il a été soumis à l’Agence Spatiale Européenne pour son appel de mission moyenne M4 et n’a pas été retenu. Il a fait partie néanmoins des 10 derniers projets en compétition, et son intérêt pour la communauté a été clairement démontré. Nous avons donc présenté notre concept de nouveau à l’appel M5 de l’ESA qui est actuellement en cours de sélection (mai 2017). En parallèle, un test d’un prototype de ce télescope est aussi envisagé lors d’un vol ballon. Ce projet (« COMPOL ») a été soumis à l’appel à projet ballon du CNES en 2015.

 

La R&T Compton - le projet COCOTE

Pour obtenir un télescope Compton performant, il faudra mesurer avec précision le point d’impact et l’énergie de chaque dépôt d’énergie du photon gamma dans le système. Cela nécessite que chaque détecteur soit un excellent spectro-imageur. Notre projet est donc de faire un prototype de ce télescope avec le CSNSM et l’IPNO à Orsay, dans le cadre du projet COCOTE, ou nous démontrerons en laboratoire les propriétés spectrales et en imagerie de notre système. Dans un deuxième temps, ce prototype sera amélioré en vue du vol ballon COMPOL, si celui-ci est sélectionné par le CNES.

Le laboratoire APC a dans ce projet la responsabilité de fournir deux détecteurs Silicium épais (100x100 mm² ; épaisseur 1,5mm), que nous avons optimisé pour obtenir de très bonnes propriétés spectrales (ce design optimisé des détecteurs a été réalisé dans le cadre d’une thèse cofinancée en 2012-2014). Nous avons aussi, en liaison avec le CEA, optimisé la chaine de lecture afin d’obtenir une résolution spectrale de quelque keV à 60 keV, nécessaire pour notre futur télescope spatial. Nous devrons aussi démontrer une résolution spatiale, pour la localisation des interactions, meilleure que le millimètre. Grace à un soutien de la division R&T du CNES, du LabEx Univearths et du Campus Spatial de l’Université Paris-Diderot, nous avons commandé ces deux détecteurs que nous avons reçu en août 2016. Les tests électriques (courant de fuite, capacité "bulk" et "interstrip") que nous avons effectués ont démontré que ces détecteurs sont conformes aux spécifications obtenues par simulations.

 

 

vue des détecteurs commandés (photo: Micron Semiconductor ltd).
Carte de lecture de notre détecteur DSSD (en haut à gauche)
détail du "bonding" entre le détecteur et le PCB

 

Les bancs de test

Nous avons maintenant à caractériser finement nos détecteurs avant de les monter dans le banc COCOTE. Cette caractérisation a consisté dans un premier temps à mesurer les propriétés électriques du détecteur (capacité, courant de fuite), et à vérifier si elles correspondent aux valeurs lors de l’optimisation du design grâce au logiciel Silvaco. Ces mesures ont été faites grâce à une machine à pointe située dans la salle blanche du laboratoire et nous ont permis de valider nos premières estimations. Puis, une autre campagne de tests consistera à mesurer l’énergie d’une source radioactive connue, et à faire des cartes des performances de localisation de ces détecteurs. Pour ce faire, nous utiliserons des sources radioactives collimatées qui illumineront notre détecteur dans le banc actuellement en cours de réalisation.

 

Gauche: banc de caractérisation électrique des détecteurs Silicium monté dans la salle blanche du laboratoire. Droite: banc de test des détecteurs Silicium épais, lus par la chaine de lecture IdefX du CEA.

 

Equipe scientifique APC

  • Laurent Philippe
  • Lebrun François
  • Maier Daniel

 

Equipe technique APC

  • Bertoli Walter
  • Bréelle Eric
  • Oger Ronan