Optimisation du pouvoir de résolution et du rejet du fond radioactif de détecteurs ionisation-chaleur équipés de couches minces thermométriques pour la détection directe de WIMPs.

The EDELWEISS experiment aims at the direct detection of WIMPs as possible candidates for dark matter. It uses heat-and-ionization detectors that can discriminate these particles from the radioactive background. To date, this method is limited by events with incomplete charge collection that occur just beneath the detectors electrodes. In order to identify and reject these undesirable events, we have developed detectors equipped with thin films used both as thermometers – and hence sensitive to the transient athermal regime – and as electrodes for the charge collection. This thesis focuses on the optimization of such thin films regarding surface events rejection and on the modelling of the physical processes enabling this identification. The optimization must both maximize the fiducial volume and conserve an energy resolution such that the recoil energy threshold is of the order of 30 keV. Our work explores four generations of detectors each of which corresponds to successive evolutions in their conception. In all cases, the electrode-thermometer is an amorphous Anderson insulator NbSi thin film polarized by two interleaved comb-shaped niobium electrodes. In spite of constant progress in the successive detectors performances, the latest generation does not display the performances required for the EDELWEISS II experiment. Our work has shown the difficulty of the transient thermal signal modelling due to the complex contribution of the charge collection. This works has lead to new ideas regarding the detectors configuration, so that the athermal regime can be optimized to enhance both the rejection capability and the resolution.Pour la recherche de la matière noire sous forme de WIMPs l'expérience EDELWEISS utilise des détecteurs ionisation-chaleur qui permettent de les discriminer du fond radioactif. Cette méthode est limitée par les événements à collecte incomplète de charge qui ont lieu près des électrodes. Dans le but d'identifier et rejeter ces événements, des détecteurs équipés de couches minces servant à la fois de thermomètres, sensibles au régime thermique transitoire (régime athermique), et d'électrodes de collecte sont développés. Leur optimisation en terme de rejet des événements de surface et la modélisation des processus physiques permettant cette identification font l'objet de cette thèse. L'optimisation doit conserver une résolution en énergie qui conduise à un seuil de l'ordre de 30 keV et un volume fiduciel de détecteur maximal. Ce travail explore quatre générations de détecteurs qui correspondent à des évolutions successives de leur conception. Dans tous les cas l'électrode-thermomètre est une couche mince de NbSi amorphe de type isolant d'Anderson polarisée par deux peignes interdigités en Niobium. En dépit des progrès réalisés la génération la plus aboutie ne présente pas les performances requises pour l'expérience EDELWEISS II. L'étude menée a montré la difficulté de la modélisation des signaux thermique transitoires car la collecte des charges y apporte des contributions complexes. Des pistes émergent de ce travail pour explorer de nouvelles configuration de ces détecteurs afin d'exploiter mieux le régime athermique pour améliorer le pouvoir de rejet et la résolution

Tunable Superconducting Properties of a-NbSi Thin Films and Application to Detection in Astrophysics

We report on the superconducting properties of amorphous NbxSi1-x thin films. The normal-state resistance and critical temperatures can be separately adjusted to suit the desired application. Notably, the relatively low electron-phonon coupling of these films makes them good candidates for an "all electron bolometer" for Cosmological Microwave Background radiation detection. Moreover, this device can be made to suit both high and low impedance readouts

Optimisation du pouvoir de résolution et du rejet du fond radioactif de détecteurs ionisation-chaleur équipés de couches minces thermométriques pour la détection directe de WIMPS

Pour la recherche de la matière noire sous forme de WIMPs l expérience EDELWEISS utilise des détecteurs ionisation-chaleur qui permettent de les discriminer du fond radioactif. Cette méthode est limitée par les évènements à collecte incomplète de charge qui ont lieu près des électrodes. Dans le but de les identifier et rejeter ces évènements, des détecteurs équipés de couches minces servant à la fois de thermomètres, sensibles au régime thermique transitoire (régime athermique), et des électrodes de collecte sont développés. Leur optimisation en terme de rejet des évènements de surface et la modélisation des processus physiques permettant cette identification font l objet de cette thèse. L optimisation doit conserver une résolution en énergie qui conduise à un seuil de l ordre de 30 KeV et un volume fiduciel de détecteur maximal. Ce travail explore quatre générations de détecteurs qui correspondent à des évolutions successives de leur conception. Dans tous les cas l électrode-thermomètre est une couche mince de NbSi amorphe de type isolant d Anderson polarisée par deux peignes interdigités en Niobium. En dépit des progrès réalisés la génération la plus aboutie ne présente pas les performances requises pour l expérience EDELWEISS II. L étude menée à montré la difficultés de la modélisation des signaux thermique transitoires car la collecte des charges y apporte des contributions complexes. Des pistes émergent de ce travail pour explorer de nouvelles configurations de ces détecteurs afin d exploiter mieux le régime athermique pour améliorer le pouvoir de rejet et la résolution.The EDELWEISS experiment is searching for direct evidence of dark matter in the form of WIMPs. The detectors used are ionization-heat bolometers that enable radioactive background rejection. This method is currently limited by imcomplete charge collection events that occur near the electrodes. In order to indentify and reject those events, we have developed equipped with thin films which are both the thermometer, sensitive to the transitory athermal regime, and the collection electrodes. This thesis has focused on the optimization of the surface events rejection and on the modelling of the physical process at play identification of such events. The optimization should be achieved wile keeping an energy resolution ensuring a threshold fiducial volume. This work analyses and synthesises four generation of such detectors, corresponding to successive evolutions in the conception. In all cases the electrode-thermometer is an amorphous NbSi Anderson insulator thin film polarized via two interleaved niobium electrodes. Although we have achieved undeniable progress in the detectors characteristics, the latest generation does not present the required performances for the EDELWEISS II experiment. The study performed has underlined the difficulty in modelling the transitory thermal signals due to the complex contribution of charge collection, but new leads have thus emerged on novel configurations that would make letters use of the athermal regime to improve the rejection and the resolution.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Low Energy Characterization of Caliste HD, a Fine Pitch CdTe-Based Imaging Spectrometer

International audienceCaliste HD is a recently developed micro-camera designed for X and gamma-ray astronomy, based on a 1×1 cm$^2$ CdTe Schottky pixelated detector. Its entire surface is composed of 256 pixels, disposed on a 16 × 16 pixel array. This spectrometer is buttable on its 4 sides and can be used to create a large focal plane. It is also designed for space environment. Its IDeF-X front-end electronics has low power consumption, excellent noise performance and a wide dynamic range, from 2 keV to 1 MeV. Moreover, electronic noise performances of this device were optimized to set the low level energy threshold lower than 2 keV.This paper focuses on the Caliste HD performance near the low energy limit. For this purpose, we have exposed the CalisteHD module to a mono-energetic X-ray beam, and set energies between 2 and 12 keV. We measured accurately the detectionefficiency in this energy range and found it to be ranging from 39% to 75% for energies from 2.2 keV to 11.6 keV, consideringonly particles detected in the single-event photopeak and ignoring events impinging between two adjacent pixels. Thisefficiency detection profile thereby highlights crucial effects of the Pt electrode opacity on Caliste HD low energy response, andsuggests the presence of absorption zones at the interface between CdTe crystal and platinum. Respective thickness of eachlayer were estimated by simulation and confirmed by RBS ($Rutherford\ Backscattering\ Spectroscopy$).Besides, using a mono-energetic beam allows fine energy resolution measurement, which was found to be ranging from560 to 760 eV FWHM between 2 and 12 keV. In addition, the linearity of this spectrometer and the issue of charge sharingbetween adjacent pixels were studied. This study revealed that spectroscopic performances remain excellent for such boundaryoperating conditions