Il existe sous les ´electrodes des bolom`etres une fine couche appel´ee ’zone morte’ o`u un ´ev`enement qui s’y produit donne lieu `a une mauvaise collecte de charge [69]. Lors de l’interaction d’un ´electron ou d’un γ de basse ´energie au voisinage de la surface, une partie de la charge `a mesurer peut ˆetre perdue. Les m´ecanismes de mauvaise collecte de ce type d’´ev`enements sont mal connus mais il est envisageable qu’un effet de recombinaison ou de pi´egeage sous les ´electrodes puisse y jouer un rˆole.
De mani`ere g´en´erale, la collecte incompl`ete des charges est particuli`erement redoutable car dans ce cas, le rendement d’ionisation (Q = EI
ER) peut ˆetre sous-´evalu´e. Les reculs nucl´eaires donnent lieu eux aussi `a de faibles rende-ments d’ionisation d’o`u le risque de confusion entre les ´ev`enements β ou γ de surface et les reculs nucl´eaires (WIMPs et neutrons).
Une ´etude de la variation du rendement d’ionisation en fonction de la profondeur de p´en´etration a ´et´e effectu´ee. Elle consiste `a ´etudier le rendement de collecte de photon X provenant d’une source de 241Am en particulier les raies `a 14 et 18 keV dont la longueur d’absorption est respectivement de 17 et 31 µm. En tenant compte du fait que l’absorption des photons est du type :
dN dx = N0
λ e−xλ et que λ(E) est connue, il est possible de remonter au rendement d’ionisation en fonction de la profondeur de p´en´etration des γ. La figure 2.19
montre le rendement d’ionisation en fonction de la profondeur d’interaction pour un dispositif avec et sans couche amorphe. L’addition d’une sous-couche amorphe (par ailleurs tr`es r´esistive) sous l’´electrode de m´etal constitue une barri`ere de potentiel et permet d’am´eliorer les rendements de collecte des ´ev`enements de surface mˆeme si les m´ecanismes de collecte avec une sous-couche amorphe restent peu clairs. Cette am´elioration est visible sur la figure 2.19.
Fig.2.19 – Rendement d’ionisation en fonction de la profondeur d’interaction de rayons X de 14 et 18 keV pour des bolom`etres avec et sans couche amorphe [69].
Mais malgr´e la pr´esence d’une sous-couche amorphe, on a vu que la sensibilit´e des exp´eriences cryog´eniques est toujours limit´ee par la pr´esence d’´ev`enements de surface (en particulier par les ´electrons). La figure 2.18 de gauche pr´esente les r´esultats de l’exp´erience EDELWEISS I lors de l’obser-vation du bruit de fond avec des bolom`etres `a ´electrodes planaires ´equip´es d’une couche amorphe hydrog´en´ee. On observe la pr´esence d’´ev`enements `a bas rendement d’ionisation. Nous allons montrer que ces ´ev`enements sont dus `a des β.
Une exp´erience a ´et´e faite pour d´eterminer la nature de ces ´ev`enements. Cette exp´erience consiste `a mettre en comptage un bolom`etre `a ´electrodes planaires (´equip´e d’une sous-couche amorphe hydrog´en´ee) avec un capot de cuivre muni d’une source de210Pb implant´ee. Sur la figure 2.20, on peut voir le rendement d’ionisation en fonction de l’´energie de recul associ´e `a cette exp´erience. La proportion d’´ev`enements ´electron du 210Pb qui donnent un signal dans la bande de recul nucl´eaire est de 2% (entre 30 et 100 keV en ´energie de recul) ce qui tend `a prouver que l’exp´erience est bien limit´ee par le
bruit de fond provenant du 210Pb. La pr´esences d’α `a des ´energies d’environ 5.4 MeV, ce qui correspond `a l’´energie des α du 210Po tend `a confirmer l’hypoth`ese de la contamination par du210Pb.
Fig. 2.20 – Rendement d’ionisation en fonction de l’´energie de recul pour un bolom`etre dont le capot de cuivre a ´et´e mont´e avec une source de 210Pb implant´ee.
La strat´egie adopt´ee par EDELWEISS est l’identification des ´ev`enements de surface. Ceci devrait donc permettre d’am´eliorer la sensibilit´e de l’exp´erience mais aussi d’explorer des domaines d’´energies de recul plus faibles. En effet dans EDELWEISS I, le seuil ´etait fix´e `a 30 keV pour s’affranchir du grand nombre d’´electrons qui donnent lieu `a de la mauvaise collecte en dessous de 30 keV. Acc´eder `a des ´energies de recul plus basses permet d’augmenter beaucoup la sensibilit´e aux WIMPs comme on peut le voir sur la figure 1.7 (le passage d’un seuil de 30 keV `a un seuil de 10 keV permet de gagner un facteur trois sur la sensibilit´e de l’exp´erience). Deux pistes ont ´et´e explor´ees pour la reconnaissance des ´ev`enements de surface. La premi`ere est la confec-tion de d´etecteurs avec des films minces de NbSi comme ´electrode de collecte (cf [70], [48], [71], [46], [47] et [72]). Les couches minces thermom´etriques de NbSi sont sensibles `a la fois au signal thermique (composante lente du signal de chaleur qui est proportionnelle `a l’´energie d´epos´ee dans le cristal) et au si-gnal athermique, composante rapide du sisi-gnal qui est fonction de la position du d´epˆot d’´energie dans le mat´eriau ce qui permet de rejeter les ´ev`enements de surface.
La seconde piste est l’´etude des bolom`etres `a ´electrodes interdigit´ees per-mettant de rejeter les ´ev`enements de surface grˆace `a la voie ionisation. C’est l’objet de cette th`ese.
Conclusion
Nous avons pr´esent´e dans ce chapitre les m´ecanismes de l’interaction de particules dans un cristal de germanium ainsi que le principe de d´etection des bolom`etres `a double composante ionisation/chaleur. Cette double d´etection permet une discrimination entre les reculs ´electroniques (qui repr´esente l’im-mense majorit´e du bruit de fond) et les reculs nucl´eaires (pour les WIMPs et les neutrons) mais connaˆıt une limitation : les ´ev`enements de surface `a mauvais rendement d’ionisation. Dans les exp´eriences EDELWEISS il a ´et´e montr´e que ces ´ev`enements proviennent essentiellement de la pollution au
210Pb qui est une source de β peu p´en´etrants.
L’introduction d’une sous-couche amorphe permet de limiter le nombre d’´ev`enements `a mauvaise collecte. En d´epit des efforts faits entre EDEL-WEISS I et EDELEDEL-WEISS II pour diminuer le bruit de fond β, celui-ci reste la principale limitation actuelle de la sensibilit´e de l’exp´erience.
Le tableau suivant r´ecapitule la contribution des diff´erents bruits de fond dans la bande de recul nucl´eaire.
Nature du rayonnement γ neutron β
Contribution de bruit (evt.kg−1.jour−1) < 0.001 < 0.001 0.04 La contribution majeure au bruit de fond dans la bande de recul nucl´eaire est celle constitu´ee par les β. On rappelle que pour explorer le domaine de section efficace WIMP-proton de 10−8pb l’exp´erience doit accumuler une statistique d’environ 1000 kg.jour sans avoir d’´ev`enement dans la bande de recul nucl´eaire. La contribution du bruit de fond dans la bande de recul nucl´eaire doit donc ˆetre inf´erieure `a 0.001 evts.kg−1.jour−1.
Pour les d´etecteurs actuels `a sous-couche amorphe, 2% des β donnent un signal dans la bande de recul nucl´eaire (on a donc un rejet passif de 98% des β). Pour atteindre les buts de l’exp´erience, il faut obtenir une efficacit´e de rejet meilleure que 99.95% (moins de 1 β sur 2000 doit donner un signal dans la bande de recul nucl´eaire). Le facteur de rejet des ´ev`enements β qui donnent un signal dans la bande de recul nucl´eaire doit donc ˆetre am´elior´e d’un facteur ≈ 40, et ceci tout en conservant le mˆeme rejet des ´ev`enements γ. Ceci constitue le cahier des charges pour les d´etecteurs que nous allons ´etudier, fond´es sur le principe du rejet des ´ev`enements de surface avec des signaux d’ionisation.
La m´ethode d’identification des ´ev`enements de surface doit aussi ˆetre efficace `a basse ´energie de mani`ere `a atteindre les seuils exp´erimentaux aussi bas que possible.
Chapitre 3
Le bolom`etre Interdigit
Apr`es avoir pr´esent´e le principe de l’exp´erience EDELWEISS et les princi-pales limitations `a sa sensibilit´e, nous allons pr´esenter le bolom`etre Interdigit ´etudi´e au cours de cette th`ese. Ce bolom`etre est fond´e sur le mˆeme principe que les bolom`etres `a ´electrode planaire mais est muni d’´electrodes interdi-git´ees (grilles coplanaires) permettant le rejet des ´ev`enements de surface. Apr`es un bref historique, nous allons discuter des caract´eristiques de ce type de bolom`etre en raisonnant sur la base de simulations faites sur des cartes de champ ´electrique et finalement nous exposerons le principe de fabrication de ce type de bolom`etre.
3.1 Historique
3.1.1 Grille de Frisch
Le principe de la grille de Frisch a ´et´e d´ecouvert en 1944 afin d’am´eliorer les performances des d´etecteurs `a gaz [73]. Dans les d´etecteurs `a gaz, une par-ticule incidente ionise une partie du gaz et produit des paires ´electrons-ions. Un champ ´electrique est appliqu´e `a travers le volume contenant le gaz afin de d´eplacer les charges mobiles. La mobilit´e des ions est tr`es inf´erieure `a celle des ´electrons ce qui produit une d´ependance de l’amplitude du signal en fonction de la position d’interaction dans le d´etecteur pour les constantes de temps utilis´ees. Frisch a d´evelopp´e une m´ethode pour r´eduire cette d´ependance `a la position d’interaction, en incluant une grille dans le volume du gaz `a proxi-mit´e de l’anode (figure 3.1). En polarisant convenablement les ´electrodes, les ´electrons d´erivent en direction de l’anode `a travers la grille. Les ions positifs d´erivent dans la direction oppos´ee. On s’int´eresse seulement aux ´ev`enements ayant lieu du cˆot´e gauche de la grille sur le sch´ema de
cipe. En accord avec le th´eor`eme de Ramo, la charge induite sur l’anode provient uniquement du d´eplacement des ´electrons entre la grille et l’anode et la d´ependance de l’amplitude du signal `a la position d’interaction est pra-tiquement ´elimin´ee. La fonction de la grille est d’´ecranter l’anode vis `a vis des effets d’influence ´electrostatique pour les charges situ´ees dans le volume du d´etecteur entre l’anode et la grille. Par voie de cons´equence, c’est seule-ment lorsque des charges (les ´electrons) traversent la grille vers l’anode qu’un signal est d´evelopp´e sur celle-ci. La configuration de champ produite par ce type de grille peut ˆetre reproduite approximativement dans un d´etecteur se-miconducteur avec une grille coplanaire. Comme nous le montrerons dans ce chapitre, la comparaison des diff´erentes voies permet une localisation des d´epˆots d’´energie situ´es `a la surface recouverte par les ´electrodes.
3.1.2 Application `a des d´etecteurs `a semi-conducteurs
Luke et al. ont montr´e la possibilit´e d’utiliser cette configuration d’´electrodes pour localiser les ´ev`enements, notamment dans des d´etecteurs semi-conducteurs pour la spectrom´etrie γ [74][75]. L’id´ee d’´etendre ce proc´ed´e au probl`eme du rejet des ´ev`enements de surface appartient `a Brink et al. [76]. Nous avons repris et d´evelopp´e cette m´ethode.