l’utilisation des r´evolutions o`u surviennent des changements de configuration des machines cryog´eniques est `a ´eviter sans correction en temp´erature de la calibration en ´energie pour E>1 MeV.
3.3.3
R´evolution 43 `a 85 : test d’une calibration d´eterministe
Pour compl´eter notre panel de tests et valider les r´esultats obtenus dans le §3.2, nous avons termin´e cette ´etude par la g´en´eration d’un set de fichiers de calibration entre la r´evolution 43 et 85 bas´e sur une seule r´ef´erence commune arbitraire : la r´evolution 60. Cette m´ethode est dite “d´eterministe” car toutes les r´evolutions, `a l’exception de celle portant le num´ero 60, sont calibr´ees en aveugle `a partir de la r´ef´erence. La m´ethodologie employ´ee est celle d´ecrite dans le §3.3.1 ; la diff´erence principale r´eside ici dans la quantit´e de donn´ees trait´ee. Durant cette p´eriode qui d´ebute apr`es le premier annealing et se termine avant le second, des variations de temp´erature de ∆T˚≃ 2 K ont ´et´e observ´ees. Si Ctime ne jouait pas un rˆole pr´epond´erant `a l’´echelle d’une r´evolution, ce n’est plus le cas
ici. La p´eriode ´etudi´ee s’´etend sur 126 jours, la “d´erive temporelle du gain” induit donc des variations la calibration en ´energie de l’ordre de 0.37 keV @1 MeV et 1.1 keV @3 MeV. On observe sur la Figure 3.12 et dans le Tableau 3.3 la bonne pr´ecision de cette m´ethode de calibration en ´energie `a l’´echelle du plan de d´etection (ie. pour un spectre moyen sur le plan de d´etection). On ne peut malheureusement pas tirer les mˆemes conclusions `a l’´echelle d’un d´etecteur (cf. Figures 3.13, 3.14). Dans ce cas, les r´esultats obtenus sont d´ependants de la calibration r´ef´erence. Dans l’exemple donn´e, on voit tr`es clairement que la position de la raie `a 1764 keV du d´etecteur 5 est sur-estim´ee et sous-estim´ee pour le d´etecteur 16. Ces effets se moyennent et disparaissent lorsque l’on somme les spectres de tous les d´etecteurs. D`es lors, la m´ethode de calibration “d´eterministe” d´ecrite dans ce paragraphe est clairement inefficace. En propageant de mani`ere syst´ematique des erreurs d’origine statistique, elle g´en`ere des erreurs de calibration sup´erieure `a la m´ethode classique (une
Fig. 3.12: Valeurs moyennes sur le plan de d´etection des positions des principales raies de bruit de fond dans le cadre d’une calibration d´eterministe en fonction du num´ero de r´evolution.
58 3. La calibration en ´energie de SPI
Fig. 3.13: Position de la raie `a 1764 keV en fonction du num´ero de la r´evolution pour le d´etecteur 16 dans le cadre d’une calibration en ´energie d´eterministe.
Fig. 3.14: Position de la raie `a 1764 keV en fonction du num´ero de la r´evolution pour le d´etecteur 5 dans le cadre d’une calibration en ´energie d´eterministe.
m`etres : Ctemp et Ctime. Connaissant les variations de temp´erature du plan de d´etection,
on en d´eduit que les d´erives de calibration sont n´egligeables `a l’int´erieur d’une r´evolution dans la plupart des cas (<0.15 keV).
La correction en temp´erature de la calibration est tout de mˆeme utile dans deux cas : lors des descentes de temp´erature cons´ecutives `a un annealing et pour les r´evolutions pendant lesquelles survient une reconfiguration des machines cryog´eniques.
L’utilisation d’une calibration d´eterministe bas´ee sur une r´evolution r´ef´erence n’est pas avantageuse car elle propage sur toutes les donn´ees les imperfections d’origine statistique de la calibration r´ef´erence. La solution : ajuster la calibration sur toutes les donn´ees simultan´ement en tenant compte de la d´ependance en temp´erature et temps du gain (c.f. Equation 3.8, 3.9).
Pour la gamme basse :
fctt1(c, T˚, t) = a0/c + a1+ (a2T˚+ a3t)c + a4c2 (3.8)
Pour la gamme haute :
fctt2(c, T˚, t) = b0+ (b1T˚+ b2t)c (3.9)
On supprimerait ainsi la propagation syst´ematique de l’incertitude statistique li´ee `a la calibration r´ef´erence. De plus, on r´eduirait les erreurs statistiques de mani`ere globale car on utilise l’ensemble des donn´ees. Cette m´ethode n’est `a l’heure actuelle pas impl´ement´ee car les pr´ecisions obtenues (et maˆıtris´ees !) avec une fr´equence de calibration de 1/r´evolution sont suffisantes pour le travail effectu´e ici.
de SPI
Le travail pr´esent´e dans ce chapitre a fait l’objet d’une publication `a paraˆıtre dans Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A : Lonjou et al. [2005].
4.1
La d´egradation des d´etecteurs HPGe
Plusieurs effets secondaires engendr´es par l’environnement spatial perturbent le fonc- tionnement de SPI. Comme d´ecrit ci apr`es (cf. §5.1), le plus contraignant est le bruit de fond instrumental qui par son instabilit´e et sa magnitude complexifie l’extraction du signal astrophysique. En deuxi`eme position vient sans conteste la d´egradation des d´etecteurs. Sa cons´equence : la d´eformation de la r´eponse impulsionnelle en ´energie des d´etecteurs.
La premi`ere ´etude concernant l’effet de l’irradiation des d´etecteurs germanium par des neutrons rapides (1-16 MeV) est report´e par Kraner et al. [1968]. Les auteurs observent des pertes de r´esolution en ´energie pour des doses comprises entre 1 et 2 1010 n.cm−2 sur
des d´etecteurs planars ; ils identifient la cause principale de cet effet : le “pi´egeage des trous”. Mahoney et al. [1981] mesurent l’effet de la d´egradation sur les quatre d´etecteurs germanium de l’exp´erience de HEAO C-1 `a bord du satellite HEAO-3. Apr`es 100 jours en orbite la r´esolution moyenne de l’instrument passe de 3.1 keV `a 8.6 keV. Les auteurs ´eta- blissent la lin´earit´e de ce ph´enom`ene avec l’´energie et la dose re¸cue et mettent ´egalement en avant des comportements singuliers de chacun des d´etecteurs. La sensibilit´e des d´etec- teurs `a la d´egradation d´epend essentiellement de leur type. Les trous ´etant les particules majoritairement pi´eg´ees, un d´etecteur coaxial de type n (´electrode p+ `a l’extr´erieur) sera
moins sensible `a la d´egradation qu’un d´etecteur de type p (´electrode p+ `a l’int´erieur). En
effet dans le premier cas, la distance moyenne parcourue par les trous est inf´erieure. Un facteur 30 de d´egradation a mˆeme ´et´e mesur´e par Pehl et al. [1979] entre deux d´etecteurs de types p et n issus du mˆeme barreau de Germanium.
Il existe deux types de zones de pi´egeage : les d´efauts isol´es et les r´egions d´esordonn´ees. Ces derni`eres semblent ˆetre pr´epond´erantes car leur section efficace de pi´egeage est bien plus importante [Draken, 1980]. L’origine primaire de ces d´efauts sont les protons du rayonnement cosmique, des ceintures de radiations terrestres, de la terre et bien sˆur de l’observatoire INTEGRAL lui mˆeme. Il s’ensuit alors des r´eactions secondaires en cascade
62 4. La d´egradation du plan de d´etection de SPI -30 -20 -10 0 10 20 arbitrary unit 0 2 4 6 8 10 arbitrary unit
Fig. 4.1: Forme typique d’une raie avant et apr`es d´egradation
qui vont produire des neutrons. Ceux-ci vont `a leur tour interagir par diffusion ´elastique ou in´elastique avec le Ge, les ions ainsi form´es vont interagir de nouveau avec le Ge...De l’´energie d´epos´ee dans le cristal lors de ces ´etapes, d´epend le type de d´efaut cr´e´e. Pour une ´energie c´ed´ee faible (∼30 eV), seuls des d´efauts isol´es peuvent apparaˆıtre. En revanche, pour des ´energies plus importantes (∼20 keV) la taille du d´efaut peut atteindre 200
˙
A, on parle alors de r´egions d´esordonn´ees [Kandel, 1998]. Malgr´e une temp´erature de fonctionnement des d´etecteurs basse (85-90 K), ces r´egions sont “actives”, elles peuvent s’associer ou mˆeme s’annihiler [Draken, 1980].
Pour un photon d’´energie donn´ee E, une quantit´e de charge Q est cr´e´ee dans le d´e- tecteur. En fonction de la position de l’interaction dans le d´etecteur, une fraction de Q va ˆetre pi´eg´ee. Sachant que la position d’interaction varie statisquement pour un photon d’´energie E, la forme de la raie obtenue pour un d´etecteur d´egrad´e va ˆetre plus large, l’ap- parition d’une “queue” cˆot´e basse ´energie correspondant `a l’effet de pi´egeage. La Figure 4.1 illustre ce ph´enom`ene. Plus l’´energie du photon incident est ´elev´ee, plus la quantit´e de charges Q secondaires cr´e´ee est grande et plus la distance moyenne parcourue par les charges cr´e´ees est importante. D`es lors, les cons´equences de la d´egradation des d´etecteurs sont d’autant plus visibles que l’´energie est haute. La forme th´eorique des raies d´epend essentiellement de la g´eom´etrie du d´etecteur, de la tension de polarisation, de la puret´e du cristal de Ge et de sa temp´erature de fonctionnement. Une ´etude compl`ete `a ce sujet est disponible dans Raudorf et Pehl [1987].
Une proc´edure dite d’annealing permet de r´eg´en´erer les performances d’un d´etecteur d´egrad´e. Elle consiste en un r´echauffement du d´etecteur, l’agitation thermique permet de restructurer le cristal, supprimant ainsi les zones de pi´egeage. Kraner [1980] proposait d´ej`a la possibilit´e d’effectuer des annealings in situ autour de 100◦C. 22 ans plus tard SPI
Tab. 4.1: Les raies utilis´ees pour d´etermination de la d´egradation du plan de d´etection