Développement d’une électronique de proximité d’un détecteur de particules énergétiques à faible seuil en énergie pour l’étude des environnements plasmas planétaires (Mars et au-delà)

Soutenance de thèse de Erwan Berthomé (Salle de Conférence IRAP)

Résumé de la thèse :

Les mesures de particules chargées in situ sont fondamentales pour caractériser et comprendre les environnements et les processus plasma en héliophysique et planétologie, ainsi que les risques associés en météorologie spatiale. Différents types de détecteurs sont utilisés pour convertir l’énergie en charges électriques mesurables par une électronique de proximité analogique (front-end). Pour s’adapter au mieux à chaque type de détecteur, une instrumentation spécifique doit être mise en œuvre. Le développement d’une électronique spatiale à très bas bruit pour détecteur semi-conducteur embarqué sur de futures missions spatiales constitue l’objectif principal de la thèse.

La première partie de la thèse présente le fonctionnement des mesures in situ des plasmas spatiaux, notamment à hautes énergies (électrons de 10 keV à 1 MeV, protons de 10 keV à 10 MeV). Nous présenterons également les principaux défis à surmonter pour réaliser ses mesures.

Le deuxième chapitre présente l’architecture de la chaîne de détection. Le choix du détecteur et de l’architecture de l’électronique de proximité analogique discrète pour le spatial est ensuite détaillé. Les performances visées sont les suivantes : un bruit inférieur à 1 nV/√Hz, 1 keV de résolution à 10 keV, un produit gain-bande passante supérieur à 10 GHz et un gain supérieur à 40 mV/MeV.

Le troisième chapitre présente tout d’abord, les environnements de simulation et de test du design ainsi que sa fabrication. Ensuite, nous développons les résultats des simulations qui ont permis le développement de l’architecture retenue. Les résultats obtenus en simulation sont conformes aux performances recherchées. Après la validation de l’architecture par la simulation, les résultats des tests expérimentaux réalisés et résultats obtenus en injection et avec sources radioactives seront détaillés. Les résultats expérimentaux obtenus atteignent 1.4 keV à 31 keV en injection et 48.8 keV à 976 keV avec une source radioactive ²⁰⁷Bi.

Le quatrième chapitre discute des limitations observées durant les tests de l’électronique de proximité analogique discrète développée, en particulier les effets des capacités parasites qui justifient le besoin de développement d’une électronique de proximité basée sur un ASIC pour atteindre les performances requises pour l’instrument.

Le cinquième chapitre détaille tout d’abord, le choix de la technologie et de la structure du transistor JFET retenue. Ensuite, nous présentons le modèle du transistor JFET nécessaire pour la réalisation d’une électronique intégré de proximité performante. Pour finir, la validation du modèle par simulation y sera détaillée.

Le sixième chapitre présente le choix de l’architecture de l’électronique de proximité intégré, basée sur des transistors JFET et optimisé à l’environnement spatial. Ensuite, les résultats de simulation de l’architecture ASIC développée avec le modèle de simulation du détecteur semi-conducteur sont détaillés. Ces résultats montrent que les performances obtenues sont meilleures que celles obtenues en électronique discrète, avec un bruit de 591 pV/√Hz, un bruit équivalent de charge de 204 eV et un gain de 355 mV/MeV, adaptées aux performances visées. Des perspectives intéressantes s’ouvrent quant à la mise en œuvre de l’électronique de proximité intégrée développée dans de futurs instruments spatiaux pour l’exploration future des planètes.

Composition du jury de thèse :

• Rapporteurs :

  • Luc Hebrard (Icube)
  • Francois LeBlanc (LATMOS)
• Examinateurs :

  • Vincent Génot 
(IRAP)
  • Elizabeth Delevoye (CEA-Leti)
• Directeurs de thèse :

  • Nicolas Andre 
  • Pierre Devoto