Pr´esentation des diff´erents composants d’ECLAIRs

Le masque cod´e

Figure 2.2 – `A gauche : repr´esentation du motif du masque constitu´e de 46 × 46 ´el´ements. `

A droite : section du masque utilis´ee pour ´etudier les propri´et´es m´ecaniques de l’assemblage Ti-Ta-Ti.

Le laboratoire APC `a Paris est responsable de la r´ealisation du masque cod´e d’ECLAIRs (l’armature lat´erale blind´ee sous responsabilit´e du CNES).

L’armature blind´ee est compos´ee d’un succession de feuilles d’aluminium, de cuivre et de plomb. Elle encadre le plan d´etecteur et limite le champ de vue de l’instrument. Elle permet de r´eduire le bruit de fond caus´e par le fond diffus cosmique X (Cosmic X-ray Background ou CXB, chapitre 3.2). Grˆace `a ce blindage, dans la gamme sensible d’ECLAIRs, la plupart des photons du CXB provenant de l’ext´erieur du champ de vue d´efini par le masque cod´e est supprim´ee. De plus, ce blindage permet aussi l’´etalonnage `a basse ´energie du d´etecteur. En effet, l’int´erieur du blindage est recouvert d’une couche de cuivre, qui produit une raie de fluorescence `a 8.06 keV dans le spectre enregistr´e sur le d´etecteur. De mˆeme, les interactions du rayonnement cosmique avec les autres ´el´ements du blindage conduisent `a des signatures sp´ecifiques dans le spectre.

Le masque cod´e avec le plan d´etecteur permet de localiser une source ponctuelle dans le ciel avec une pr´ecision d’une dizaine de minutes d’arc. Dans le cas d’un instrument `a ouverture cod´ee tel qu’ECLAIRs, on utilise une technique sp´ecifique pour construire une image du ciel. On a plac´e le masque cod´e au dessus d’un d´etecteur pixelis´e (`a 46 cm du plan d´etecteur), constitu´e d’un ensemble de trous (´el´ements ouverts) et de pleins (figure 2.2). L’ensemble trous-pleins forme un motif appel´e motif du masque. Les photons d’une source arrivent sur le d´etecteur et y projettent l’ombre du masque formant une figure caract´eristique de la direction d’incidence des photons. On appelle ouverture du masque la fraction de surface des trous par rapport `a la surface codante totale du masque. Le d´etecteur re¸coit les photons provenant du ciel qui sont pass´es `a travers les trous du masque. De ce fait, la r´epartition de ces photons enregistr´es sur le d´etecteur n’est pas uniforme car elle d´epend du motif du masque et de la direction de la source.

Le masque cod´e est un ensemble autoporteur constitu´e d’une feuille de Tantale prise en sandwhich entre deux couches de Titane, appel´eTi-Ta-Ti . Il mesure 54× 54 cm2. L’ouver-

ture du masque est de 40%. La composition et l’´epaisseur des pleins permet d’arrˆeter quasiment tous les photons d’une ´energie inf´erieure `a 120 keV.

Chaque ´el´ement du masque mesure m = 11.73 mm de cˆot´e, tandis que le pas de la grille des pixels du d´etecteur est d = 4.5 mm de cˆot´e. Dans ce cas, le rapport entre la taille d’un ´el´ement du masque et d’un pixel du d´etecteur vaut m/d = 2.6. Quand m/d∼ 1, la pr´ecision de localisation est optimale mais la sensibilit´e est faible. Il a ´et´e choisi de d´egrader la pr´ecision de localisation afin d’augmenter la sensibilit´e (Lachaud, Gros, & Schanne, 2011). Les r´esultats de l’´etude ont montr´e que la boˆıte d’erreur de localisation est inf´erieure `a 12 minutes d’arc dans 98% des cas et inf´erieure ou ´egale `a 5 minutes d’arc dans 70% des cas (section 6.2.7). Dans la majorit´e des cas, elle est plus petite que le champ de vue du t´elescope MXT (1 × 1 deg2) et du t´elescope VT (26 × 26 arcmin2_{). La section 2.4.5 traitera du proc´ed´e de reconstruction de}

l’image du ciel `a l’aide du masque cod´e.

Le plan d´etecteur

Energie (keV)

Coup

s

XRDPIX: calibration de 32 pixels

Figure 2.3 – `A gauche : vue d’ensemble d’un module XRDPIX compos´e de 32 d´etecteurs. `A droite : spectre mesur´e en sortie d’un module XRDPIX, expos´e `a une source de 241Am, et qui t´emoigne de la sensibilit´e des d´etecteurs `a 4 keV mais aussi l’absence de bruit au del`a de 4 keV.

Le plan d´etecteur d’ECLAIRs, d´enomm´e DPIX, est ´etudi´e et construit par l’IRAP `a Toulouse (Nasser et al. 2014, Nasser 2015).

Il est compos´e d’une mosa¨ıque de 6400 pixel-d´etecteurs (80 × 80 pixels). Construit par la soci´et´e Acrorad, chaque d´etecteur est en cristal de Tellure de Cadmium (CdTe), et de type Schottky2 `a contact en platine. Il offre ainsi l’avantage d’avoir un tr`es faible courant de fuite (< 150 pA `a -20˚). La surface de chaque d´etecteur est de 4 × 4 mm2 _{et son ´epaisseur de 1 mm.}

La distance entre chaque d´etecteur sur le plan d´etecteur est de 0.5 mm (si bien que la grille du d´etecteur a un pas de 4.5 mm). La surface g´eom´etrique est de 1296 cm2 et la surface active de d´etection est de 1024 cm2 _{(avec une surface efficace de 150 cm}2 _{`a 4 keV et 400 cm}2 _{dans la}

bande d’´energie 20-50 keV, voir section 2.3.2).

Les d´etecteurs sont group´es par 32, formant un module XRDPIX. Ce dernier est connect´e `a une ´electronique de lecture `a base d’ASICs (Application Specific Integrated Circuit), d´enomm´es IDeF-X ; d´evelopp´es au SEDI `a Saclay. Les modules sont regroup´es par 25 de fa¸con `a former un secteur. Chaque secteur est connect´e `a une ´electronique de lecture ELS (Electronique de Lecture

Secteur ), qui lui fournit le HVPS (la haute tension ´electronique `a 300 keV) et qui s’assure que chaque ´ev´enement d´etect´e est marqu´e en temps (avec une pr´ecision de 10 µs), en position et en ´energie (cod´ee sur 1024 canaux). Les ´ev´enements peuvent ˆetre consid´er´es comme des ´ev´enements simples si un seul pixel d’un XRDPIX est touch´e dans une fenˆetre de multiplicit´e (typiquement r´egl´ee `a 10 µs), ou mutiples si plusieurs pixels sont atteints dans cette fenˆetre. Les ELS sont ´egalement en charge de la conversion du signal ´electrique re¸cu en valeur num´erique de l’´energie. La calibration utilise alors les raies de fluorence des diff´erents mat´eriaux du syst`eme (Cu, Cd, Te). Les huit ELS transmettent leurs donn´ees en temps r´eel au module UGTS, qui groupe les ´ev´enements en paquets et les envoie `a la m´emoire de masse de SVOM .

Pour le succ`es de la mission, le choix de bons d´etecteurs est d´eterminant. En effet, certains d´etecteurs peuvent devenir plus bruyants que d’autres. Sousmis aux radiations, la qualit´e de ces derniers se d´egrade et peut conduire `a la d´etection de faux coups non induits par une interaction de photons avec le d´etecteur. Une campagne de test a ´et´e men´ee par l’IRAP : sur 12000 d´etecteurs, 8000 ont ´et´e s´electionn´es pour ˆetre candidats au mod`ele de vol. Plusieurs prototypes d’une partie du plan d´etecteur ont ´et´e test´es pour valider certaines caract´eristiques telles que leur performance `a 4 keV, la lin´earit´e, etc. La figure 2.3 de droite repr´esente le spectre des coups enregistr´es sur un module XRDPIX `a partir d’une source radiactive de l’isotope241Am. L’unit´e de traitement scientifique UGTS

L’unit´e UGTS d’ECLAIRs (Unit´e de Gestion et de Traitement Scientifique) est d´evelopp´ee conjointement par le CNES `a Toulouse, le SAp et le SEDI au CEA Saclay. Le responsable scientifique de l’UGTS est St´ephane Schanne (SAp).

L’une de ses fonctions principales est le traitement scientifique pour la d´etection des sur- sauts gamma de SVOM . Comme le satellite SVOM ne dispose pas d’un lien de t´el´emesure `a grand d´ebit permanent avec le sol, les donn´ees de photons acquises par ECLAIRs sont trop volumineuses pour ˆetre envoy´ees par t´el´emesure en temps-r´eel au sol, afin d’y ˆetre trait´ees (`a l’instar du syst`eme IBAS d’INTEGRAL, Mereghetti et al. 2003). De plus, si la r´eiorientation du satellite devait se faire par l’envoi d’une t´el´ecommande depuis le sol, cela induirait un d´elai suppl´ementaire dommageable pour les sursauts gamma. L’UGTS est donc employ´ee pour effec- tuer ces fonctions de fa¸con autonome `a bord. Un tel traitement automatique de donn´ees `a bord a d´ej`a ´et´e mis en place pour l’instrument BAT de Swift ce qui permet le repointage automatique tr`es rapide du satellite (McLean et al., 2004).

Figure 2.4 – Les cartes ´electroniques de bord avec l’ancienne version du processeur utilis´ees dans l’UGTS. `A gauche : FPGA (Atmel ATF280). `A droite : CPU (Atmel AT697F). La carte pour le nouveau processeur est en cours de d´eveloppement.

Les fonctions de l’UGTS se r´esument en :

— Contrˆole et surveillance du bon fonctionnement d’ECLAIRs tels que le contrˆole de temp´erature du plan d´etecteur, le r´eglage du seuil bas en ´energie, la gestion des pixels bruyants, le contrˆole de puissance ´electrique et la gestion des modes de d´efaillance de composants d’ECLAIRs. L’UGTS produit ´egalement des donn´ees de t´el´emesure auxi- liaires (housekeeping en anglais) permettant de surveiller ce bon fonctionnement depuis le sol.

— Acquisition des donn´ees. L’UGTS re¸coit les coups individuels (´energie, pixels, temps) depuis les boˆıtiers ELS, et les envoie `a la m´emoire de masse du satellite pour leur trans- mission au sol. Les donn´ees sont transmises au sol via les ´emetteurs bande X, leur quantit´e volumineuse ne permettant pas de recevoir les donn´ees en temps r´eel par la voie VHF. L’UGTS re¸coit aussi la base de temps depuis la plateforme, l’attitude du satellite et la position du satellite sur son orbite, qu’elle enregistre dans une m´emoire circulaire interne (contenant un historique des valeurs re¸cues sur une fenˆetre temporelle glissante de dur´ee pr´ed´etermin´ee de ∼ 20 min). Des donn´ees de surveillance de l’´equipement UGTS et du bon d´eroulement de son algorithme de d´eclenchement sont ´egalement g´en´er´ees vers la m´emoire de masse.

— Configuration : L’UGTS est reconfigurable par t´el´ecommande depuis le sol (mise `a jour des logiciels). Par exemple, les seuils des algorithmes de d´etection sont configurables. — D´eclenchement et localisation d’une nouvelle source transitoire (candidat sur-

saut). La localisation s’effectue en utilisant l’image du ciel construite `a partir de la liste des coups sur le d´etecteur (section 2.4.5). Le meilleur exc`es contenu dans l’image au dessus d’un certain seuil, et qui ne correspond pas `a la position d’une source r´ef´erenc´ee dans le catalogue de sources gamma, est un candidat sursaut. Sa position pr´ecise sur le ciel est d´etermin´ee en ajustant `a la position de l’exc`es la fonction d’´etalement du point d’ECLAIRs. Le processus de localisation prend du temps (<sub>∼ 2 s). Ainsi deux algorithmes</sub> fonctionnent en parall`ele pour rechercher la meilleure p´eriode temporelle sur laquelle la localisation est faite. L’UGTS recevra aussi les informations sur les exc`es significatifs des taux de comptage des GRDs. ECLAIRs utilise deux modes de d´eclenchements :

— D´eclenchement par augmentation de taux de comptage appel´e  Trigger

taux de comptage . L’UGTS effectue la d´etection d’une augmentation significa-

tive d’un taux de comptage (nombre de coups par unit´e de temps) sur des plages temporelles allant de 10 ms `a 20 s. Cette augmentation est un premier indicateur de la pr´esence d’une source transitoire dans son champ de vue. Si un exc`es est trouv´e, on forme l’image du ciel associ´ee afin de localiser l’exc`es dans l’image.

— D´eclenchement par l’image appel´e Trigger image . Sur toute plage tempo-

relle de 20 s `a 20 min, l’UGTS reconstruit syst´ematiquement l’image du ciel et cherche `

a localiser une ´eventuelle nouvelle source (sans augmentation au pr´ealable d’un taux de comptage qui est indiscernable de l’´evolution du bruit de fond pour un sursaut long et peu intense).

— Envoi en temps quasi r´eel d’un message VHF. Si une nouvelle source a ´et´e localis´ee avec un bon niveau de confiance, l’UGTS g´en`ere une s´equence d’alertes sur le r´eseau VHF (donnant entre autres, une localisation sur le ciel et un niveau de confiance), ainsi que des courbes de lumi`ere observ´ees par ECLAIRs dans diff´erentes bandes en ´energie. — Requˆetes de repointage satellite. Si une nouvelle source a ´et´e localis´ee avec un ex-

cellent niveau de confiance, sa position est envoy´ee au satellite afin de le faire pivoter sur lui-mˆeme pour repointer (en quelques minutes) l’axe optique des t´elescopes `a petit champ de vue VT et MXT en direction de la source pour le suivi de sa r´emanence. L’UGTS utilise un processeur Leon qualifi´e pour le spatial. Au CEA, un prototype de l’UGTS a ´et´e r´ealis´e `a base de FPGAs et d’une CPU de Leon 2 (voir figure 2.4, Schanne et al. 2014, Le

Provost et al. 2014). Une ´etude est actuellement en cours pour mettre `a jour l’architecture de l’UGTS afin d’utiliser une plus r´ecente version du processeur, le CPU Leon 3 `a deux cœurs, afin de gagner en puissance de calcul (voir section 2.4.6).