Nouvelles chaînes d’instrumentation intégrées multivoies pour l’astrophysique

Nouvelles chaînes d’instrumentation intégrées multivoies pour l’astrophysique

Présentation de l’environnement spatial

Introduction

L’environnement spatial nous laisse souvent imaginer des étendues noires et vides, s’étendant dans les confins de l’univers. Mais ce n’est pas tout à fait le cas. En effet, ce volume de l’espace n’est pas inoccupé, mais baigne dans des champs et ondes électromagnétiques et est peuplé de particules, à la fois chargées et neutres. Cette matière est le plus souvent dans un état dit plasma qui est présent dans plus de 99% de l’univers. La détermination des processus physiques qui régissent cet état de la matière et la composition de cette dernière aide les scientifiques a valider ou a rejeter les théories existantes, a formuler de nouvelles questions, et a élargir notre compréhension de l’univers.

Les plasmas

Le terme plasma, qui qualifie un « quatrième état de la matière », a été utilisé en physique pour la première fois par le physicien américain Irving Langmuir dès 1928 . Un plasma est une phase différente des solides, des liquides et des gaz. C’est un ensemble de particules chargées (et neutres) qui répond collectivement aux champs électromagnétiques et qui, à son tour, les modifie. Les particules d’un plasma sont majoritairement chargées, électrons et ions de densité de charges égales, il s’agit en première approximation d’un gaz partiellement ou totalement ionisé dont la température élevée empêche les recombinaisons d’ions et d’électrons. Les collisions entre particules peuvent jouer également un rôle important, mais de nombreux plasmas spatiaux sont sans collisions, les ondes jouant alors un rôle prépondérant. Le plasma présente des espèces de particules différentes, qui ont des gammes de vitesse, de températures et de flux très variées [7]. Dans l’univers proche, des mécanismes ‘plasma’, pourtant fondamentaux, restent énigmatiques. C’est par exemple le cas de celui qui chauffe l’atmosphère solaire (la couronne) jusqu’à des températures supérieures à 1.106 K, alors que sa température de surface n’excède pas 6 000 K. Par ailleurs, d’importantes quantités de plasma sont projetées dans l’univers suite à une éruption solaire (éjection de masse coronale). figure I-1 : Le plasma est projeté dans l’univers suite à une éruption solaire (éjection de masse coronale) . Sur la Terre, le plasma n’est rencontré à l’état naturel qu’aux très hautes températures, quand l’énergie est telle qu’elle réussit à arracher des électrons aux atomes. C’est le cas par exemple dans les flammes, les éclairs d’orages. Dans l’univers lointain, de nombreux objets astrophysiques sont faits de matière ionisée qui possède une densité de charges suffisante pour présenter un comportement collectif, résultant du mouvement des charges en réponse à des champs électriques et magnétiques. Ces plasmas concernent les atmosphères des étoiles, le milieu interstellaire, les disques d’accrétion autour des trous noirs, les galaxies radio, les quasars, les supernovae rémanentes… Pour décrire le comportement d’un plasma, il faut à la fois des outils pour décrire le comportement d’un fluide (statistique de Boltzmann, ou équations de dynamique des fluides) et des outils qui décrivent les lois de l’électromagnétisme (équations de Maxwell). Il faut également savoir coupler ces équations. Nous nous concentrerons ici sur les plasmas spatiaux, d’une part de l’espace interplanétaire (vent solaire) et d’autre part de la haute atmosphère et de l’ionosphère terrestre.

Vent solaire

Le système solaire est le siège de nombreux processus plasmas initiés principalement par le vent de particules chargées émis continuellement par l’astre. Le soleil perd en effet environ 1.109 kg (soit un million de tonnes) de matière par seconde, sous forme de vent solaire. Dans la couronne surchauffée du soleil (2 millions de degrés), les atomes d’hydrogène sont ionisés, mais aussi les éléments minoritaires plus lourds, carbone, oxygène, azote, fer. Ce plasma d’ions et d’électrons est ensuite expulsé à une vitesse considérable. La vitesse du vent solaire varie de 400 à 800 km/s environ, la moyenne étant de 450 km/s et sa température est de l’ordre de 100 000 K à l’orbite de la Terre, pour une densité moyenne de quelque particules/cm3 . Le vent solaire étant un plasma, il subit l’influence du champ magnétique solaire (à proximité du soleil, là où le champ magnétique est fort) mais, de par son mouvement, déforme aussi les lignes de champ magnétique solaire (là où le champ magnétique est faible). À cause de la combinaison du mouvement radial des particules et de la rotation du soleil, les lignes de champ magnétique solaires forment une spirale : la spirale de Parker.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I La mesure des particules en environnement spatial
I.1. Présentation de l’environnement spatial
I.1.1. Introduction
I.1.2. Les plasmas
I.1.3. Vent solaire
I.1.4. Sprites et Elves
I.2. Système de détection et de mesure d’un plasma
I.2.1. Caractérisation d’un plasma
I.2.2. L’instrumentation
I.2.3. Principes de mesure des particules chargés
I.2.4. Systèmes de détection associés à la mesure des électrons et des ions de faible énergie
a) Principe
b) L’analyseur électrostatique de type « top hat »
I.2.5. Systèmes de détection associés à la mesure des électrons et des ions de grandes énergies
a) Principe
b) Spectromètre à temps de vol
I.3. Conclusion
I.1. Références
Chapitre II
Les détecteurs utilisés pour la mesure en environnement spatial
II.1. Présentation des détecteurs
II.2. La Microchannel plate
II.2.1. Description .
II.2.2. Principe de fonctionnement .
II.2.3. Le chevron et le Z-stack
II.2.4. Réponse en gain .
II.2.5. Modèle électrique équivalent .
II.3. Les détecteurs à semi-conducteur .
II.3.1. Les interactions matière – particules chargées .
a) Pertes d’énergie par collisions .
b) Perte d’énergie radiative
c) Pertes totales d’énergie.
d) Effets de déviation sur les parcours .
e) Génération de paires électron-trou .
f) Choix du semi-conducteur
II.3.2. Description de l’instrument .
II.3.3. Réponse simulée du détecteur sous GEANT4 .
a) Construction .
b) Simulation
c) Réponse
II.3.4. Temps de collecte de la charge
II.3.5. Capacité équivalente
II.3.6. Le courant de fuite .
II.3.7. Résumé des paramètres du détecteur .
II.4. Conclusion
II.5. Références
Chapitre III Chaînes d’instrumentation en technologie CMOS pour détecteurs spatiaux
III.1. Généralités
III.1.1. L’électronique spatiale embarquée
III.1.2. L’environnement spatial radiatif
a) Le rayonnement cosmique
b) Le vent solaire et éruption solaire
c) Ceintures de radiation
III.1.3. Tenue aux radiations de l’électronique
III.1.4. Effets des radiations sur l’électronique MOS
a) L’effet de dose cumulée (TID)
b) Les évènements transitoires (SEE’s)
III.1.5. Choix d’une technologie
III.1.6. Durcissement par design (RHBD)
a) Le durcissement à la TID
b) Le durcissement aux SEE
c) Conclusion
III.1.7. Circuits CMOS basse consommation
a) Mode opératoire
b) Modélisation en faible inversion
III.2. L’intégration de la charge
III.2.1. Principe
III.2.2. Le préamplificateur de charge (CPA)
III.2.3. Préamplificateur de charge amélioré
III.3. Mise en forme et filtrage
III.3.1. Principe
III.3.2. Pulse shaper
III.4. Chaîne de conversion CPA + PS
III.4.1. Etat de l’art
III.4.2. Gain de conversion
III.4.3. Bande passante en bruit et ENC
III.5. Etude en bruit
III.5.1. Les différents types de bruit
a) Le bruit thermique (thermal noise)
b) Le bruit en 1/ (flicker noise)
c) Le bruit de grenaille (shot noise)
III.5.2. Modèle de bruit dans un transistor MOS
III.5.3. Bruit engendrés par le CPA
a) Bruits de l’amplificateur à transconductance .
III.5.4. ENC de la chaîne complète
III.5.5. Evolution de l’ENC en fonction des paramètres du circuit
a) ENC en fonction du MOS d’entrée
b) ENC en fonction des autres paramètres
III.6. Conclusion
III.7. Références
Chapitre IV Intégration en technologie CMOS 0. µm d’une chaîne d’instrumentation pour la détection de particules par un détecteur spatial
IV.1. Technologie CMOS 0. µm
IV.1.1. Tenue aux radiations
IV.1.2. Présentation de la technologie AMS CMOS 0. µm .
IV.2. Détection de la charge
IV.2.1. Principe
IV.2.2. Système de détection pour la MCP
IV.3. Spécifications de l’instrumentation
IV.4. Les miroirs de courant
IV.4.1. Le miroir de base
IV.4.2. Source de polarisation indépendante
IV.4.3. Le miroir cascode
IV.4.4. Le Wide-Swing Cascode
IV.5. Conception du CPA
IV.5.1. Calcul des composants passifs
IV.5.2. Produit gain bande passante
IV.5.3. Choix de l’OTA
a) La source commune
b) Le cascode
c) Le cascode télescopique
d) Le folded cascode
IV.5.4. Etude petits signaux
IV.5.5. L’ENC total
IV.5.6. Structure du CPA
IV.5.7. Stabilité
IV.6. Conception du PS
IV.6.1. Calcul des composants passifs
IV.6.2. Produit gain bande passante
IV.6.3. Structure
IV.7. Performances de la chaîne analogique
IV.7.1. Réponse temporelles
IV.7.2. Consommation
IV.7.3. Simulation en bruit
IV.8. Le comparateur
IV.8.1. Définition
IV.8.2. L’amplificateur à deux étages
a) La paire différentielle
b) L’amplificateur source commune
IV.8.3. Le comparateur à deux étages
IV.8.4. Conception
a) Limitation de la réponse temporelle
b) Temps de propagation
IV.9. Le monostable
IV.. Performances de la chaîne globale
IV..1. Simulations
IV..2. Consommation
IV.. Conclusion
IV.. Références
Chapitre V Intégration en technologie CMOS HV 0. µm de chaînes d’instrumentation pour la mesure de l’énergie de particules par un détecteur spatial
V.1. Technologie CMOS HV 0. µm
V.1.1. Sensibilité du substrat
V.1.2. Présentation de la technologie AMS CMOS HV 0. µm
V.2. Quantification de la charge
V.2.1. Principe
V.2.2. Système de détection pour le Si et CdZnTe
V.3. Spécifications de l’instrumentation
V.3.1. Dimensionnement de l’instrumentation du Si
V.3.2. Dimensionnement de l’instrumentation du CdZnTe
V.4. L’amplificateur opérationnel à 2 étages
V.4.1. Réponse fréquentielle
V.4.2. Compensation en fréquence simple
V.4.3. Compensation par l’effet Miller
a) Retard de phase
b) Retard-avance de phase
V.4.4. Bruit de l’OTA à 2 étages
V.5. Chaîne de conversion pour Si de type A
V.5.1. Conception du CPA pour Si de type A
a) Calcul des composants passifs
b) Produit gain bande passante
c) Conception de l’OTA à deux étages du CPA
d) Stabilité
V.5.2. Conception du PS pour le Si de type A
V.5.3. Performances de la chaîne analogique pour le SiA
a) Réponse temporelles
b) Consommation
c) Simulation en bruit
V.6. Chaîne de conversion pour Si de type B
V.6.1. Conception du CPA pour Si de type B
a) Calcul des composants passifs
b) Produit gain bande passante
c) Conception de l’OTA à deux étages du CPA
d) Stabilité
V.6.2. Conception du PS pour le Si de type B
V.6.3. Performances de la chaîne analogique pour le Si de type B
a) Réponse temporelles
b) Consommation
c) Simulation en bruit
V.7. Chaîne de conversion pour le CdZnTe
V.7.1. Conception du CPA pour le CdZnTe
a) Calcul des composants passifs
b) Structure du CPA à interrupteur
c) Produit gain bande passante
d) Conception de l’OTA à deux étages du CPA
e) Stabilité
V.7.2. Conception du PS pour le CdZnTe
a) Composants passifs
b) Les filtres à capacités commutées
c) Le PS à capacités commutées.
V.7.3. Association du CPA+PS pour le CdZnTe
V.7.4. Performances de la chaîne analogique pour le CdZnTe
a) Réponse temporelles
b) Consommation
c) Simulation en bruit
V.8. Système de discrimination
V.8.1. Principe de discrimination
V.8.2. Le bloc de commande
V.8.3. Le comparateur à hystérésis
a) Principe
b) Simulation
V.8.4. Le détecteur de pic
a) Détecteur de pic par blocage par diode
b) Détecteur de pic par blocage par switch
c) Le comparateur « clamped push-pull »
d) Simulation
V.8.5. L’ADC
a) Fonctionnement
b) Simulation
V.9. Performances des chaînes globales
V.9.1. Simulations
a) Si de type A et B
b) CdZnTe
V.9.2. Consommation
V.. Conclusion
V.. Références
Chapitre VI Validations expérimentales des chaînes de détection pour le spatial
VI.1. Chaîne de détection pour la MCP
VI.1.1. L’ASIC CDIC
VI.1.2. Tests fonctionnels de la chaîne analogique 4
a) Mesures
b) Performances du DIC par rapport à l’état de l’art
VI.1.3. Tests fonctionnels de la partie numérique
VI.1.4. Tests de la chaîne de détection
a) Test fonctionnel MCP+CDIC
b) Test de la diaphonie
VI.1.5. Qualification en environnement spatial
a) Performances en température
b) Tolérances aux radiations
VI.1.6. Performances globales
VI.1.7. Conclusion
VI.2. Chaîne de détection pour les SCs
VI.2.1. L’ASIC à SCs
VI.2.2. Tests fonctionnels de la partie analogique des chaînes d’instrumentation pour le Si
a) Banc de test
b) Mesure
VI.2.3. Tests fonctionnels de la partie analogique de la chaîne d’instrumentation pour le CdZnTe
VI.2.4. Tests fonctionnels de la partie numérique
a) Le comparateur à hystérésis
b) Le détecteur de pic
c) L’ADC
VI.2.5. Performances globales
VI.2.6. Conclusion
VI.3. Conclusion
VI.4. Références
Conclusion générale
Glossaire
Abréviations
Annexe