Etude et Réalisation de photodétecteurs de type APD Geiger pixellisés à très haute sensibilité pour l'astronomie gamma Très Haute Energie.
Résumé
Very High Energy gamma ray astronomy uses till now exclusively as detector the Photomultiplier Tube (PMT) to collect weak light flux of atmospheric showers. But an alternative is now emerging: Avalanche Photodiodes polarized in Geiger mode called “Geiger-APD”. The PMT is a detector designed in the 70's which presents many advantages but also suffers from several drawbacks: size, weight, cost, sensitivity to magnetic field but especially difficulty to realize its pixilation in matrix. Geiger-APDs are semi-conductor devices made of PN junction integrated in a special technology to detect very low light flux, thanks to the polarization beyond the avalanche voltage. Geiger-APD presents very high photoelectron gain (≈106) strongly dependant on the polarization voltage beyond avalanche. These photodiodes present many advantages with respect to PMT, mainly as concerns miniaturization for applications based on imaging, such as the detection of Cerenkov flashes in gamma ray astronomy. In this thesis, we present the study, the design and the realization of a technological structure, based on Silicon. This structure has shown reliability to detect weak luminous flux with breakdown voltage at 12V and dark current below 10pA at breakdown. We also developed several models, physical and electrical, necessary to the technological optimization, as well to the development of control and readout circuits, i.e. the basis of any imaging technology. The work presented here consists in the study, the design and the realization of a matrix of high sensitivity pixels. A project of a Cerenkov telescope based on this innovative technology is also presented.
L'astronomie gamma des Très Hautes Energies utilise jusqu'à aujourd'hui exclusivement comme détecteurs le Photomultiplicateur à Tube (PMT) pour capter les faibles flux lumineux des gerbes atmosphériques. Mais une alternative commence à apparaitre : les photodiodes à avalanche polarisées en mode Geiger appelées APD Geiger. Le PMT est un détecteur conçu dans les années 70 qui présente certes de nombreux avantages mais qui souffre également d'inconvénients comme la taille, le coût, le poids ou encore la sensibilité aux champs magnétiques et surtout la difficulté à réaliser une pixellisation en matrice. Les APD-Geiger, sont des dispositifs à semi-conducteur composés d'une jonction PN intégrée dans une technologie spéciale pour la détection de très faible flux lumineux grâce à leur polarisation au delà de la tension d'avalanche. Les APD-Geiger présentent un gain de photoélectrons très élevé (~106), bien que dépendant fortement de la tension de polarisation au delà de l'avalanche. Ces photodiodes présentent de nombreux avantages par rapport aux photomultiplicateurs, notamment du point de vue de leur miniaturisation pour des applications basées sur l'imagerie, comme la détection de flashs Tcherenkov en astronomie gamma. Dans cette thèse, nous présentons l'étude, la conception et la réalisation de cette structure technologique basée sur du Silicium. Cette structure a montré sa fiabilité pour la détection de faibles flux lumineux avec une tension de claquage de 12V et un courant de fuite ne dépassant pas 10pA au claquage. Nous avons également mis au point, différents modèles physiques et électriques indispensables aux démarches d'optimisation technologiques ainsi qu'au développement des circuits de commande et de lecture, i.e. la base de toute technologie d'imagerie. Le travail présenté ici consiste en l'étude, la conception et la réalisation d'une matrice de pixels à haute sensibilité. Un projet de télescope Cerenkov basé sur cette technologie innovante est finalement présenté
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