SVOM

Le masque codé d’ECLAIRs

Dans le cadre d’une mission telle que SVOM, il est nécessaire de disposer d’instruments à grand champ de vue pour optimiser les chances de découverte. Le principe de fonctionnement du télescope ECLAIRs est une affaire d’équilibre : il doit détecter les sursauts avec le maximum de sensibilité, donc avoir une grande surface sensible, tout en déterminant leur localisation avec la meilleure précision dans un champ de vue très large. Le satellite pourra alors modifier son orientation afin d’aligner les télescopes petit champs 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 le signal de chaque point du ciel avec un motif particulier. Lorsque la lumière passe au travers du masque, fait de trous et de pleins, chaque source du ciel projette un motif unique sur le plan de détection. 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 le signal en provenance de chaque point du ciel.

Prototype masque

Figure 1 : Prototype de masque codé réalisé dans le cadre de la mission SVOM. Crédit : APC-CEA.

Dans le cas d’une source forte, il est possible de déterminer le motif caractéristique à l’œil nu (cf. Figure 1). 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.

Un effet étonnant du masque codé est sa capacité à séparer 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, pour un autre tiers du bruit de fond et pour le dernier tiers d’une source connue émettant des rayons X de haute énergie se trouvant dans le champ de vue (par exemple le pulsar du Crabe) . Le ciel est ainsi reconstruit.

Afin de projeter l’ombre du masque sur le plan de détection, il faut bien entendu que le masque puisse arrêter le rayonnement considéré. Pour arrêter la lumière visible, une simple feuille de papier est suffisante. Dans le cas des rayons X que ECLAIRs souhaite mesurer (domaine X-dur), il faut avoir recours à des matériaux très denses (si on veut garder un masque fin, ce qui est une contrainte nécessaire dans notre cas). Le choix s’est porté sur le tantale avec 2.5% de tungstène. La masse volumique du tantale est 16.4 g.cm-3. Un litre de tantale fait plus de 16 kg (pour comparaison, le même volume de plomb fait moins de 12 kg, et bien sûr seulement 1 kg pour de l’eau).

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 mélanger plusieurs 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 toutes les contributions externes à la source (autres sources présentes dans le champ de vue de l’instrument, composante diffuse, bruit instrumental). 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, telles que sa position, son intensité ou son spectre en énergie.

L’art de poinçonner le métal

Le motif du masque repose quant à lui sur les niveaux de précision et de sensibilité que l’on cherche à atteindre. Une fois définies les caractéristiques de l’instrument, comme la dimension du masque, celle du plan de détection ou la distance qui les sépare, il reste à affiner le motif du masque en fonction des besoins scientifiques. Une localisation précise implique de petits trous tandis qu’à 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.

A ces performances scientifiques s’ajoutent des contraintes mécaniques. Le masque de SVOM est le premier à devoir être auto-porteur (c’est à dire que l’on ne peut utiliser une structure rigide sur laquelle poser les éléments du masque, mais que notre masque doit véritablement pouvoir être usiné en perçant des trous dans une plaque de métal). Lors du lancement du satellite, la fusée provoque des vibrations mécaniques très importantes, qui se traduisent par des contraintes extrêmes au niveau du masque. Pour pouvoir résister aux vibrations, le motif du masque doit comprendre une croix, que l’on a donc dû intégrer au motif scientifique.

Un algorithme spécifique permet de générer de grands motifs dans lesquels on va piocher pour produire les quatre cadrans du masque final (Figure 2). Après des centaines 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 motif final se fait sur le masque le plus sensible. Le motif scientifique finalement obtenu s’appelle “C3A2S” (Figure 3).

Figure 2 : Motif géant 500×500. Les motifs entrant dans les quatre cadrans proviennent de sous parties de ces masques géants. Crédit APC.

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Figure 3 : Le motif sélectionné dans le cadre de la mission SVOM, C3A2S, est formé d’un maillage de 47×47 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 APC-CEA.

Le vignettage et les nervures

Malheureusement, le masque codé ne se limite pas au motif scientifique percé dans notre feuille de tantale. Cette feuille, qui laisse passer 40% de la lumière, n’aurait aucune chance de survivre aux vibrations lors du décollage. Il faut donc la renforcer. Le seul moyen de la renforcer est d’ajouter de la matière, mais plus le masque est épais, plus le champ de vue est réduit. Les photons sont arrêtés par effet de vignettage (vignetting en anglais, voir Figure 4). C’est la raison pour laquelle l’épaisseur de la feuille de tantale est limitée à 0.6mm.

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Figure 4 : 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 : 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.

Comment renforcer la rigidité du masque sans ajouter de matière ? Simplement en s’arrangeant pour que la lumière provenant de notre champ de vue continue à voir les trous de la même manière. En calculant astucieusement les retraits par rapport aux bords des trous du tantale, on a pu ajouter des nervures de 10 mm d’épaisseur et une croix centrale de 16mm.

Le tantale est ainsi pris en sandwich entre deux masques en titane (on parle de masque TiTaTi). Le masque supérieur (TiTop) comprend des nervures de 10mm en plus de la croix de 16 mm, alors que le masque inférieur (TiBottom) fait seulement 1mm d’épaisseur avec une croix de 16mm. Pour assurer la rigidité de l’ensemble, des pions en titane sont soudés afin de relier les masques TiTop et TiBottom. Pour finir des pastilles en Tantale sont collées sur les pions pour assurer l’opacité aux rayons-X.

Figure 5 : Représentation des différents éléments constitutifs du masque C3A2S. Crédit : APC.

Figure 5 : Représentation des différents éléments constitutifs du masque C3A2S. Crédit : APC.

Figure 6 : Photo du modèle prototype STM. Crédit : APC.

Figure 6 : Photo du modèle prototype STM. Crédit : APC.

Contacts : Responsable scientifique du masque codé : Cyril Lachaud (APC). Chef de projet du masque codé : Alain Givaudan (APC).

Crédits : le masque codé est l’aboutissement du travail d’une équipe nombreuse et pluridisciplinaire basée à l’APC, au CEA et au CNES. Qu’en particulier, Aleksandra Gros et Stéphane Schanne (qui donnent un A et un S au nom du masque) soient remerciés. Equipe masque codé du laboratoire APC : Walter Bertoli, Stéphane Dheilly, Alain Givaudan, Corinne Juffroy, Maurice Karakac, Cyril Lachaud.

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Publié le 13/01/2016
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