SVOM

Le masque codé d’ECLAIRs

Dans le cadre d’une mission telle que SVOM, il est nécessaire de disposer d’instruments grand champ pour optimiser les chances de découverte.
Le principe de fonctionnement du télescope ECLAIRs est affaire d’équilibre : il doit détecter le sursaut avec le maximum de sensibilité tout en déterminant sa localisation avec la meilleure précision. Le satellite pourra alors modifier son orientation afin d’aligner les télescopes petit champ dans la direction du sursaut.
Malheureusement, il est impossible d’appliquer les principes de focalisation optique à l’observation des rayons X-durs et gamma sur des grands champs de vue. La solution est d’utiliser une technique toute autre : celle des masques codés.

Crypter le ciel

Cette technologie repose sur l’idée de coder tous les points du ciel, en attribuant à chacun un motif différent. Lorsque la lumière passe au travers du masque, fait de trous et de pleins, l’ombre portée sur le plan de détection correspond à un motif unique. Sur ce plan est donc retrouvée la somme de tous les points du ciel passés chacun à travers le masque. Il suffit ensuite, grâce à un outil mathématique (la déconvolution), de reconstruire chaque point du ciel.

 

Prototype masque

Prototype de masque codé réalisé dans le cadre de la mission SVOM Crédit : IRFU/CEA

Dans le cas d’une source forte, il est possible de déterminer le motif caractéristique à l’œil nu. Pour une source plus faible, les mathématiques aident à retrouver la source. Mais si malgré tout, le flux de photons est insuffisant, la reconstruction s’avère impossible car on ne peut distinguer le signal de la source de celui du bruit. La limite de sensibilité est alors atteinte.

Autre effet étonnant du masque codé, le cas des sources multiples. Sur le plan de détection, toutes les sources sont mélangées. L’outil de déconvolution parvient à déterminer l’origine des photons impliqués. Il est par exemple possible de savoir s’ils proviennent pour un tiers d’un sursaut gamma, un autre tiers du bruit de fond et le dernier tiers d’une autre source se trouvant dans le champ de vue. Le ciel est ainsi reconstruit.

La clé de chiffrement

Pour attribuer un motif à un point du ciel, creuser des trous dans une plaque ne suffit pas. Il faut, dans un premier temps, savoir avec quoi on a modulé le signal pour utiliser l’outil de déconvolution. Ce principe repose sur le multiplexage qui consiste à transformer et regrouper les divers signaux selon un code défini puis à transmettre l’ensemble de l’information dans un paquet unique de données. A la réception, un démultiplexeur effectue l’opération inverse, décompose les signaux selon le code et restitue l’information portée par chaque signal. Ce procédé, commun, est utilisé par exemple dans le domaine des télécommunications.

La technique du masque codé procède du même mode de raisonnement. Le signal de la source visée est mélangé avec celui généré dans le champ de vue par les contributions externes à la source (autres sources présentes dans le champ de vue de l’instrument ou composante diffuse). Le paquet de données, passé dans le filtre du masque codé permet alors grâce à un algorithme de déconvolution spécifique de reconstituer les caractéristiques de la source (position et intensité).

L’art de poinçonner le métal

Le design du masque repose quant à lui sur les niveaux de précision et de sensibilité que l’on cherche à atteindre. Une localisation précise implique de petits trous, sachant qu’une limite est induite par la taille du plan de détection. A l’inverse, de gros trous vont augmenter la sensibilité, autrement dit la chance de repérer quelque chose dans le ciel. Les deux aspects sont essentiels et le choix est cornélien : la localisation transmise par l’instrument ECLAIRs doit permettre de placer après correction de pointage du satellite la source dans les petits champs des télescopes MXT et VT tandis que le maximum d’efficacité de détection d’un sursaut par ECLAIRs doit être garanti.
Après des dizaines de milliers de masques générés par ordinateur, un compromis garantissant une localisation suffisamment précise a été trouvé. Une fois cet équilibre fixé, le choix du design se fait sur le masque le plus sensible.

Modèle choisi du masque d'ECLAIRs

Le design sélectionné (ACS-o40-46x-a) dans le cadre de la mission SVOM est formé d’un maillage de 46×46 éléments constitué de trous et de pavés opaques. Le choix final du dessin du masque codé d’ECLAIRs est le fruit de nombreuses années d’études. Crédit CEA-APC

Le vignettage

Plus le masque est épais, plus le champ de vue s’en trouve réduit. Les photons sont arrêtés par effet de vignettage (vignetting en anglais).

img_instruments08

A gauche, le passage des photons sur la surface contenu entre les deux traits bleus. A droite, les surcouches ont été repoussées : la zone de passage des photons est plus grande. Crédit : Cyril Lachaud, APC

Pour atteindre les spécificités demandées, il aurait donc fallu que la plaque ne dépasse pas les 0,6 mm d’épaisseur. Mais à cette taille, une simple feuille de tantale, métal choisi pour sa capacité d’absorption des X, a de fortes chances de se briser au moment du décollage.

Pour assurer la rigidité du masque, deux feuilles de titane sont accolées de part et d’autre, intercalées de silicone pour absorber les vibrations et les différentes déformations, notamment celles provoquées par l’effet des changements de température sur le Tantale et le Titane. Ce design est appelé « TiTaTi », pour Titane – Tantale – Titane.

Sandwitch TiTaTi du masque codé d'ECLAIRs

Représentation des couches de la plaque du masque TiTaTi Crédit : APC

Enfin, l’astuce trouvée pour réduire l’effet de vignetting de l’ensemble est de décaler le titane par rapport à tous les bords de trous de la feuille de tantale.

Maquette du masque

Modélisation de l’aspect du masque final. Les couches de titane sont décalées par rapports aux ouvertures sur la plaque de tantale. Crédit : APC

Infos

Publié le 02/02/2016
Auteur : CEA / Irfu