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PHEN'X - Présentation

 

Le projet PhenX (Phenomène de Hautes ENergies X) a été démarré suite à l'arrêt de la mission spatiale Simbol-X en mars 2009. Il a pour but de valoriser les acquis du laboratoire APC obtenus lors du projet Simbol-X, en particulier dans l'étude des systèmes d'anticoïncidence, pour de futures expériences spatiales en rayon X ou X durs.

 

En conséquence, ce projet se déroule selon trois axes principaux:

  1. Participation à la mission de l'Agence Spatiale Européenne (ESA) IXO.
  2. Participation à la mission Japonaise Astro-H.
  3. Participation à une future mission X dur proposée dans le cadre de l'appel à idée M3 de l'ESA.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La mission IXO de l'Agence Spatiale Européenne            

 

 

 

                                                                                                                          

 

 

 

 

 

 

 

La mission japonaise Astro-H

 

 

 

L’astronomie X et γ de basse énergie ne peut se faire que depuis l’espace, du fait de l’opacité de l’atmosphère. Dans l’espace, le fond interne des instruments est produit par les interactions dans le détecteur (et son environnement) de particules du rayonnement cosmique, dix fois plus nombreuses que les photons.

 

Pour améliorer la sensibilité des futurs télescopes X et X-durs par rapport aux télescopes actuels, il faut trouver des moyens de réduire ce fond interne du détecteur. Une des solutions répond au nom de système d’anticoïncidence.

 

 

  

Principe d’un système d’anticoïncidence

 

 

 

L’objectif du groupe PhenX est de démontrer son habilité à fabriquer de tels systèmes pouvant fonctionner dans les conditions difficiles de l’espace. Il bénéficie pour cela de l’expérience acquise lors de la conception du système d’anticoïncidence prévu pour la mission Simbol-X, mission qui s’est arrêté pour des motifs budgétaires en 2009.  Un programme de R&T financé par le CNES a alors débuté afin d’étudier différentes possibilités d’anticoïncidence pour une éventuelle future mission spatiale (IXO, COSPIX, …).

 

L’idée d'un système d'anticoïncidence est de détecter le passage des particules chargées à l’aide d’un autre détecteur. Fonctionnant en anticoïncidence avec le détecteur principal, ce système permet de rejeter les dépôts d’énergie effectués dans le détecteur principal par les particules chargées ainsi que les dépôts résultants de la désexcitation prompte des produits de spallation. Les progrès des détecteurs spectro-imageurs, de l’électronique et de l’informatique embarquée permettent d’envisager aujourd’hui des systèmes « intelligents » permettant de distinguer la signature des photons X venant du ciel de celle des particules chargées et des photons gamma émis dans l’expérience elle-même. C’est cette voie que l’équipe Phen-X se propose d’explorer dans son programme de recherche et développement afin de diminuer d’un ordre de grandeur le fond des détecteurs, valorisant ainsi, grâce à cette étude poussée, l’expérience qu’elle a acquise dans le domaine lors de l’étude de la mission Simbol-X.

 

Cette étude se poursuit dans le cadre d’une R&T financée par le CNES permettant à notre équipe de tester différents cristaux scintillateurs ainsi que différents photodétecteurs, les deux pierres angulaires d’un système d’anticoïncidence. Le but de ce programme est d’arriver à différents types d’anticoïncidence de niveaux de maturités élevées (TRL 4 à 5) à proposer aux agences spatiales dans le cadre de futures missions. Les études sont effectuées grâce à une permanente confrontation entre les données de modèle de laboratoire et les simulations numériques.

 

Dans le cadre de la R&T, l’équipe teste actuellement quatre types d’anticoïncidence, sous forme de maquettes, afin de déterminer leurs atouts et inconvénients pour les expériences haute énergie. Ces maquettes sont composées des éléments suivants :

 

 

  • Plastique scintillateur + fibres + photomultiplicateur multipixels (type Simbol-X)

  • NaI + photomultiplicateur multipixels (type SIGMA, caméra Anger)

  • BGO + APD (type Astro-H, IXO)

  • Labr3 + fibres + photomultiplicateur multipixels (type CASTER)

 

 

 

 

 1. Maquette Plastique scintillateur + fibres+ photomultiplicateur multipixels (type Simbol-X) 

 

 

 

La maquette ci-dessous est le premier système d’anticoïncidence développée par l’équipe. Modèle de laboratoire de l’anticoïncidence Simbol-X associant un scintillateur plastique lu par huit fibres shifteuses couplées à deux pixels d'un photomultiplicateur PMMA, elle permet l'obtention de 33 photo-électrons, permettant une réjection du bruit de fond de 99.99999%.

Testée en performance et en vibrations, la maquette affiche un TRL 4 et pourra bientôt prétendre à un TRL5. Les activités de l’équipe sont en effet en liaison constante avec la cellule qualité du laboratoire

 

 

       

Maquette plastique + fibres + PMMA développée par l'équipe PhenX

 

 

 

  

Simulation de type Monte-Carlo de la précédente maquette d’anticoïncidence scintillateur plastique et fibres, réalisée grâce au logiciel du CERN, Geant 4. L’équipe s’appuie en effet sur les outils numériques pour mener à bien ses études

 

 

 

 

 

  

Résultats expérimentaux (33pe) et de simulations Geant 4 (30pe) compatibles et prouvant un taux de 99.99999% de réjection de bruit de fond de la maquette réalisée

 

 

 

2. Maquette BGO+APD refroidie

 

 

Afin de démontrer sa capacité à produire un système d'anticoïncidence correspondant aux besoins de l'instrument HXI de la mission NASA/JAXA/ESA IXO, l'équipe PhenX a réalisé le modèle de laboratoire ci-dessous :

 

 
 

Chaîne de mesure mise en place par l’équipe pour l’étude de la maquette d’anticoïncidence refroidie BGO + APD

 

 

 

Maquette d’anticoïncidence refroidie BGO + APD

 

 

Les résultats obtenus par l'équipe sont ceux attendus :

 

 

 
 

Résultats de la maquette d’anticoïncidence refroidie BGO + APD compatibles avec les besoins de l'expérience IXO/HXI

 

 

 

3. Maquette NaI+PMMA

 

 

En poursuivant son étude des différents systèmes d'anticoïncidence, l'équipe réalise le modèle de laboratoire ci-dessous :

 

 

      

Maquette d’anticoïncidence NaI+PMMA associée à un module de calcul de charges par pixels

 

 

Les résultats préliminaires obtenus sont encourageants :

 

 

  

Résultats préliminaires de la maquette d’anticoïncidence : essai d'obtention d'une image, résolution au pixel

 

 

 

 

4. Maquette LaBr3 + fibres + PMMA

 

 

Enfin, l'équipe PhenX réalise en ce moment l'intégration de la maquette ci-dessous :

 

    

Dessin de la maquette finale LaBr3+fibres+photomultiplicateur multipixels en cours de réalisation

 

 

 

 

    

Spectre de sodium + americium 241 d’une maquette préliminaire de LaBr3 + photomultiplicateur multipixels

 

 

 

 

 

5. Autres travaux

 

 

5.1 Qualifications de composants

 

L’équipe PhenX est par ailleurs impliquée dans des campagnes d’irradiations de ses cartes, de composants qu’elle utilise et même de maquettes d’anticoïncidence développées (accélérateur d’ions de Louvain La Neuve, accélérateur Tandem d’Orsay, source Cocase au CEA Saclay) dans le but d’élever encore le niveau de maturité des systèmes qu’elle propose.

 

Circuit électronique de l’ASIC MAROC du LAL dédiée à la lecture des signaux de photomultiplicateur. Afin d’étudier son habilité à fonctionner dans l’espace, ce circuit a été irradié en dose cumulée et en ions lourds par l’équipe

 

 

 

 

5.2 Qualifications d'instruments

 

L’équipe souhaite également développer une enceinte à vide portative pour tester ses maquettes d’anticoïncidence en accélérateur.

 

Projet d’enceinte à vide pour test en accélérateur de maquette d’anticoïncidence de l’équipe Phen-X

 

 

 

 

5.3 Source taguée Astro-H / HXI

 

En collaboration avec le service d'astrophysique SAp du CEA Irfu et d'autres services du CEA, l'équipe étudie en outre la possibilité de réaliser la source de calibration de l'instrument HXI de la mission spatiale Astro-H.

 

    

Schématique de la source taguée de l'instrument HXI du satellite Astro-H

 

 

 

 

 

Contacts :

 

Philippe LAURENT, Responsable scientifique (APC/CEA Irfu) : philippe [dot] laurent [at] cea [dot] fr

Guillaume PRÉVÔT, Chef de projet (APC) : guillaume [dot] prevot [at] apc [dot] univ-paris7 [dot] fr

 

Laboratoire APC AstroParticule et Cosmologie Bâtiment Condorcet, Bureaux 486/488 A

10, rue Alice Domon et Léonie Duquet 75205 Paris Cedex 13 - France