Le seuil bas en énergie des modules XRDPIX FM

Dans ce paragraphe, nous étudions le seuil bas en énergie selon la configuration de travail (HT ; tp) dans laquelle se trouvent les modules XRDPIX, puis nous analysons la corrélation qui existe entre la résolution spectrale et le seuil bas. En effet, nous avons vu précédemment (paragraphe 5.2.1) comment estimer par simulation les valeurs de FWHM et de seuil bas, et avons constaté qu’ils étaient étroitement liés.

Grâce à deux mesures différentes effectuées sur l’ensemble des modules XRDPIX (Table 5.4), j’ai pu calculer le seuil bas en énergie selon une acquisition qui permet de visualiser le pic de bruit sur le spectre de la source de ²⁴¹Am (Test2 / SBNA) puis selon une acquisition sans source radioactive, qui permet de visualiser le pic de bruit électronique seul (Test3). Dans le deux cas, j’ai réalisé le même algorithme de traitement de données, à savoir une première étape de filtrage du spectre, puis une étape d’extrapolation du pic de bruit à une gaussienne, après avoir cherché son maximum, et une étape d’extraction des paramètres de cette fonction gaussienne (µ et σ).

Etude du seuil bas selon la configuration (HT ; tp)

L’une des spécifications techniques de l’instrument ECLAIRs est d’avoir une homogénéité forte entre les voies de détection, et ce en matière de seuil bas de détection. Cette section est consacrée à l’analyse de plusieurs milliers de voies XRDPIX, pour évaluer la proportion des modules qui obtiennent un seuil bas en énergie meilleur que 4 keV, et étudier leur dispersion selon la configuration dans laquelle ils ont été testés.

D’après la figure 5.29, nous trouvons un nombre de voies supérieures à 4 keV (ou ne pouvant pas être calibrées car ce sont des voies détecteurs très mauvaises) de 128, pour 1440 voies analysées (45 modules XRDPIX) à la configuration (−400 V ; 4,4 µs) soit 91 % dans le cadre rouge, et 71 dans la configuration (−300 V ; 2, 6 µs), soit 95 % dans le cadre rouge.

Figure 5.29 – Seuil bas en énergie de modules XRDPIX FM de la série 1 (1440 voies détec-teurs) : Configuration (−400 V ; 4,4 µs) versus configuration (−300 V ; 2,6 µs) - Plus de 95 % des seuils bas en énergie, calculés à partir de spectres de²⁴¹Am acquis dans la configuration (−300 V ; 2,6 µs), sont inférieurs à 4 keV.

La figure 5.31 montre la distribution du seuil bas en énergie obtenu à partir de spectres de la source de²⁴¹Am, lorsque nous programmons les modules XRDPIX à des faibles valeurs de seuils numériques (typiquement entre 6 et 10, soit respectivement des valeurs entre ≈1,1 keV et 2,2 keV). Le seuil bas en énergie est obtenu alors, après avoir assimilé le pic de bruit à une gaussienne, dont nous extrayons l’écart-type, qui est finalement multiplié par un facteur 6.

En observant les deux graphes de la figure 5.31, nous voyons une distribution plus fine dans le cas (−400 V ; 4,4 µs), mais qui présente une queue de gaussienne plus étendue. Cette population de seuils, ne répondant pas aux exigences de la mission, aurait pu, en première approche, être exclue de la caméra de vol ; seulement, la distribution étant dispersée sur un nombre trop élevé de modules XRDPIX (très peu de modules regroupant plus de trois voies hors spécifications), j’ai décidé, lors de la phase de sélection, d’administrer une note basse (et pondérée selon le nombre de voies mauvaises) à ceux qui présentaient le plus grand nombre de voies au dessus de 4 keV.

Par ailleurs, l’histogramme des seuils en configuration (−400 V ; 4,4 µs) corrobore ce que j’avais pu observer sur les mesures de bruit ENC des Céramiques ASIC montrant un plus grand nombre de voies écartées de leur moyenne au temps de peaking de 4,4 µs (Fig. 5.15).

Figure 5.30 – Seuil bas en énergie de modules XRDPIX FM de la série 2 (5216 voies dé-tecteurs) : Configuration (−400 V ; 4,4 µs) versus configuration (−300 V ; 2,6 µs) - Graphe de gauche : seuils bas calculés à partir de spectres de ²⁴¹Am / Graphe de droite : seuils bas calculés à partir de spectres de bruit (sans source radioactive).

Figure 5.31 – Histogrammes des seuils bas en énergie de modules XRDPIXs selon 2 configu-rations (HT ; tp) avec une loi gaussienne appliquée à chaque histogramme normalisé - Courbe magenta pour (−400 V ; 4,4 µs) et courbe bleue pour (−300 V ; 2,6 µs).

Parmi la population des seuils inférieurs à 4 keV, j’ai calculé une moyenne de 2,81 ± 0,4 keV à la configuration (−400 V ; 4, 4 µs), contre 2,13 ±0,44 keV à la configuration (−300 V ; 2, 6 µs), avec près du double de voies écartées (57) lors du traitement en configuration (HT ; tp) la plus élevée, ce qui peut aussi expliquer une plus grande dispersion et de moins bonnes performances à tension et peaking time plus élevés. D’ailleurs, dans ce cas, le coefficient de variation (rapport écart-type sur la moyenne) est de 21 % tandis qu’il est de 14 % pour la configuration nominale (−300 V ; 2,6 µs).

En résumé, les figures 5.29 et 5.31 nous permettent de conclure que la performance en seuil bas est meilleure à la polarisation de −300 V, plutôt qu’à plus haute tension. Ainsi, en étudiant par exemple les spectres à −400 V, nous amplifions la dégradation des performances des voies mauvaises, et cela permet d’identifier l’origine du bruit prédominant d’un XRDPIX, qui, dans cette configuration, se trouve être le courant de fuite des détecteurs CdTe.

Etude du seuil bas selon la voie mesurée

Figure 5.32 – Seuil bas en énergie calculé à 6 sigma pour chacune des 32 voies de 45 modules testés dans la configuration (−300 V ; 2,6 µs) - Graphe du haut : test avec photons / Graphe du bas : test sans source radioactive.

Les graphes de la figure 5.32 montrent le seuil bas en énergie selon la voie de chaque XRDPIX (45 modules dans ce cas), configuré à (−300 V ; 2,6 µs). Il y a ainsi 45 valeurs par position (de P0 à P31).

En première approche, nous constatons que la performance du seuil bas en énergie est étroitement liée au design du module XRDPIX, c’est à dire que les valeurs les plus élevées sont les voies les plus capacitives, ce qui confirme la modélisation, et qui concorde avec les résultats de la résolution en énergie.

Par ailleurs, le comportement des voies P8 et P16 est légèrement différent des autres voies dans le cas de la mesure avec source de²⁴¹Am (« Test2 »). Auparavant, lors d’essais avec des Céramiques ASICs, j’avais pu observer que ces voies déclenchaient de façon intempestive si

elles étaient programmées à des seuils numériques inférieurs à 16 (soit moins de 4 keV), puis lors de tests de modules XRDPIX en version présérie, au cours desquels elles montraient un comportement singulier, accentué par un fort taux de comptage en entrée (dû à des événements photons ou à du bruit électronique).

Il n’est donc pas contradictoire de voir des seuils bas en énergie plus élevés pour ces voies, dans le cas des détecteurs XRDPIX en version série. Cependant, ce comportement apparaît essentiellement lors d’acquisitions spectrales avec photons (dont le flux est conséquent durant nos mesures). Il semble qu’à contrario, si nous mesurons le seuil bas à 6 sigma quand sont acquis des spectres de bruit en mode ’multiple’ (mesure faite avec des spectres acquis sans source radioactive « Test3 » / graphe du bas), ces mêmes voies P8 et P16 ont des valeurs plus basses que les 30 autres voies d’un même XRDPIX, ce qui peut s’expliquer par le fait qu’en comptant davantage, les voies P8 et P16 ont plus d’événements multiples et comme nous n’acquérons dans ce cas que des spectres ’single’ (le Test3 acquiert les événements dans un mode multiple mais n’enregistre que les événements simples), alors les pics de bruit de ces voies sont réduits et le seuil bas également. C’est pourquoi, même si en vol, les photons arrivant sur la caméra seront moins nombreux en phase d’observation nominale que lors de nos essais de caractérisation, je pense qu’il sera nécessaire de paramétrer les voies P8 et P16 différemment (avec un seuil numérique un peu plus haut que les autres voies détecteurs), voire même d’élaborer un programme de lecture spécifique (avec un allongement du temps de réinitialisation, avant une nouvelle phase de lecture), ou tout au moins d’accorder une attention particulière à ces pixels, et à leurs comportements assurément singuliers.

Corrélation FWHM-Seuil bas - Mesures versus Modélisation

Figure 5.33 – Seuil bas en énergie (à 6 sigma) en fonction de la FWHM du pic à 60 keV. Ces performances ont été obtenues à partir de 5216 spectres de²⁴¹Am (soit 163 modules XRDPIX FM de la série 2) - Graphe du haut : Configuration (−400 V ; 4,4 µs), avec près de 10% des voies écartées de l’analyse / Graphe du bas : Configuration (−300 V ; 2,6 µs), avec près de 2% des voies écartées de l’analyse.

Figure 5.34 – Modélisation du seuil bas en énergie (calculé à 6 sigma) en fonction de la FWHM à 60 keV (calculée à 60 keV). Graphe de gauche : Configuration (−400 V ; 4,4 µs) / Graphe de droite : Configuration (−300 V ; 2,6 µs) - Modèle obtenu à partir de 8288 mesures de courants de fuite (soit 259 Céramiques Détecteurs).

En étudiant les graphes des figures 5.33 et 5.34, nous confirmons plusieurs comportements précédemment observés :

- Les mesures de seuil bas en énergie montrent une distribution relativement hétérogène dans les deux configurations (HT ; tp), avec une partie de sa population de seuils qui s’écarte singulièrement de sa tendance centrale.

- La configuration (−300 V ; 2,6 µs) présente une distribution des seuils plus homogène, de par un moins grand nombre de voies à soustraire de notre calcul (21 valeurs de seuil contre 77 dans l’autre configuration) et, au vu d’un plus grand nombre de voies hors spécification mission dans ce cas.

- Les coefficients de tendance linéaire simulés sont comparables aux coefficients directeurs obtenus par mesure, ce qui valide d’une part les calculs de seuil bas et de FWHM, et d’autre part la modélisation (concordance plus prononcée à (−300 V ; 2,6 µs) qu’à une autre confi-guration). Les corrélations Seuil-FWHM (relations obtenues par régression linéaire) sont les suivantes :

Lors des mesures des acquisitions spectrales en configuration (−400 V ; 4,4 µs), après soustraction des voies ayant un seuil bas supérieur à 4 keV :

Seuil_mesure = 2,35 * FWHM[60keV]_mesure − 0,20

Pour la simulation, Seuil_modèle = 2,95 * FWHM[60keV]_modèle − 0,82

Lors des mesures des acquisitions spectrales en configuration (−300 V ; 2,6 µs), après soustraction des voies ayant un seuil bas supérieur à 4 keV : :

Seuil_mesure = 2,91 * FWHM[60keV]_mesure − 0,40