Study of photoreceivers under proton, electron, and gamma-ray irradiation for the LISA mission
Étude de photorécepteurs sous irradiation de protons, électrons et rayons gamma pour la mission LISA
Résumé
Scheduled for 2035, the Laser Interferometer Space Antenna (LISA), led by the European Space Agency (ESA), represents a pioneering effort as the first space-based gravitational wave detector. Operating in the low-frequency range of 0.1 mHz to 1 Hz beyond the capabilities of terrestrial detectors, LISA will open a new window to our universe and a new era in cosmological studies. The mission's design features three spacecraft, arranged in an equilateral triangle with each side spanning 2.5 million km, trailing the Earth in its orbit around the Sun. Central to LISA's function are its high-precision laser interferometers, which detect distance fluctuations between test masses in free fall within each spacecraft, with sensitivity to changes as subtle as a dozen picometers. The heart of LISA's detection technology lies in its Quadrants Photoreceivers (QPRs), critical for recording interferometric signals. These QPRs incorporate large area and low capacitance In0.53Ga0.47As Quadrant Photodiodes (QPDs) connected to low noise trans-impedance amplifiers (TIA), everything within a mechanical enclosure. Over its projected 12.5-year lifespan, LISA will encounter diverse radiation types, predominantly from solar emissions. Such radiation can degrade the QPDs by inducing crystal defects that alter the semiconductor properties, impairing the devices' performance.The objective of this thesis was to study the impact of the space radiation environment on the InGaAs QPDs' main electro-optical parameters. This investigation was further extended to assess the consequential implications of such degradations on the QPR performances and by extension to the LISA interferometric measurements. The devices have been provided by the members of the LISA Consortium Quadrant Photoreceivers Working Group, namely the QPDs from NL and Japan, and TIA FEE from Germany.In this context, I have developed and calibrated five experimental set-ups, allowing to evaluate the main QPDs' parameters like dark current, capacitance, and quantum efficiency and the overall QPR parameters like input equivalent current noise and phase and amplitude responses to interferometric LISA-like signals. I have also developed Phyton routines, allowing an automatic analysis procedure of the experimental data. I have used these experimental and software developments to evaluate the QPD and the QPR parameters, before and after three irradiation types, using respectively protons (20 and 60 MeV, 1x10+9 up to 1x10+12 p/cm^2), gamma (1 to 237 krad) and electrons (0.5 and 1 MeV). The maximum irradiation values exceeded ~5 times LISA requirements. I have directly participated to the irradiation campaigns, collaborating closely with technical teams from Antoine Lacassagne Proton-Therapy Center in Nice for protons irradiation and ONERA in Toulouse for gamma rays and electrons irradiations).The findings demonstrated the new devices' robust radiation tolerance, with no critical failures observed and almost all QPDs meeting LISA's requirements even post-irradiation. I compared our measured damage factor to those of the literature and explored how the intrinsic characteristics of QPDs, such as doping level and bias voltage, influence their vulnerability to radiation damage. Finally, I established a clear connection between the overall system's degradation manifested through increased noise levels and reduced amplitude response, and the modification of the QPDs' parameters. This correlation shows the ability to predict the impact of radiation-damaged QPDs on the functionality of the QPRs and, by extension, on the accuracy of LISA's gravitational wave measurements.
Programmée pour 2035, la mission LISA (Laser Interferometer Space Antenna), pilotée par l'Agence spatiale européenne (ESA), marquera une première en devenant le premier détecteur spatial d'ondes gravitationnelles. Opérant dans la gamme des basses fréquences de 0,1 mHz à 1 Hz inaccessible aux détecteurs terrestres, LISA ouvrira une nouvelle fenêtre sur notre univers et une nouvelle ère dans l'étude de la cosmologie. Le design de LISA présente trois vaisseaux formant un triangle équilatéral de 2,5 millions de km de côté, suivant la Terre dans son orbite autour du Soleil. Au cœur du fonctionnement de LISA se trouvent des interféromètres laser de haute précision, détectant des fluctuations de distance de l'ordre d'une dizaine de picomètres entre deux tests masses en chute libre positionnées dans chaque vaisseau. Le cœur de la mesure réside dans ses photorécepteurs à quadrants (QPR), essentiels pour l'enregistrement des signaux interférométriques. Ces QPR se composent d'une photodiode à quadrant (QPD) In0.53Ga0.47As de large surface et à faible capacité couplée à un trans-amplificateurs (TIA) à faible bruit, le tout assemblé dans un boîtier mécanique. Au cours de sa durée de vie de 12,5 ans, LISA sera confrontée à divers types de rayonnements, principalement en provenance du soleil. Un tel rayonnement peut dégrader les QPDs en induisant des défauts cristallins, modifiant les propriétés électroniques du semi-conducteur et donc altérant les performances des QPDs.L'objectif de cette thèse était d'étudier l'impact de l'environnement radiatif spatial sur les principaux paramètres électro-optiques des QPD InGaAs ainsi que leurs répercussions sur les performances des QPR et, par extension, sur les mesures interférométriques de LISA. Les appareils ont été fournis par les membres du groupe de travail sur les QPR du consortium LISA, à savoir les Pays-Bas et le Japon pour les QPD, et l'Allemagne pour les TIA.Dans ce contexte, j'ai développé et calibré cinq montages expérimentaux, permettant d'évaluer les principaux paramètres électro-optiques des QPD comme le courant d'obscurité, la capacité et l'efficacité quantique ainsi que les paramètres globaux du QPR comme le bruit de courant équivalent d'entrée et les réponses en phase et en amplitude face à des signaux interférométriques équivalents à ceux utilisées dans LISA. J'ai également développé des routines Phyton, permettant une procédure d'analyse automatique des données expérimentales. Ces développements expérimentaux et programmes ont permis d'évaluer les paramètres des QPD et QPR, avant et après trois campagnes d'irradiation, utilisant respectivement des protons (20 et 60 MeV, 1x10+9 jusqu'à 1x10+12 p/cm²), gamma (1 à 237 krad) et des électrons (0,5 et 1 MeV). Les conditions d'irradiation maximales dépassaient environ 5 fois les exigences pour LISA. J'ai directement participé aux campagnes d'irradiation, en collaboration étroite avec les équipes techniques du Centre de Protonthérapie Antoine Lacassagne de Nice pour l'irradiation des protons et de l'ONERA de Toulouse pour les irradiations des rayons gamma et des électrons). Les résultats ont démontré la robustesse de ces nouveaux dispositifs face aux radiations, sans aucune défaillance critique observée et avec presque toutes les QPDs répondant aux exigences de LISA. J'ai comparé le facteur de dommage aux résultats existants dans la littérature et exploré comment les caractéristiques intrinsèques des QPDs, telles que le niveau de dopage et la tension de polarisation, influencent leur vulnérabilité faces aux radiations. Un lien fut établi entre la dégradation globale du système, manifestée par une augmentation des niveaux de bruit du QPR et une réduction de la réponse en amplitude, avec la détérioration des paramètres des QPD. Cette corrélation permet d'estimer l'impact des QPD irradiées sur le fonctionnement du QPR et, par extension, sur la mesure de LISA.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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