Performances of the SVOM/ECLAIRs instrument in the low-energy band and consequences for the detection of X-ray-rich gamma-ray bursts
Performances de l'instrument SVOM/ECLAIRs dans la bande des basses énergies et conséquences pour la détection des sursauts gamma riches en rayons X
Résumé
The Space-based multi-band astronomical Variable Objects Monitor (SVOM) is a Chinese- French mission dedicated to the study of the transient sky. It is scheduled to start operations in 2024. ECLAIRs is a coded-mask telescope with a large field-of-view. It is designed to detect and localize Gamma-Ray Bursts (GRBs) in the energy range from 4 keV up to 120 keV. In 2021, the ECLAIRs telescope underwent various calibration campaigns in vacuum test-chambers to evaluate its performances. Between 4 and 8 keV, the counting response of the detection plane shows inhomogeneities between pixels from different production batches. The efficiency inhomogeneity is caused by Low-Efficiency Pixels (LEPs) from one of the two batches, together with High- Threshold Pixels (HTPs) whose threshold was raised to avoid cross-talk effects. In addition, some unexpected noise was found in the detection plane regions close to the heat pipes. I studied the impact of these inhomogeneities and of the heat-pipe noise at low energies on the ECLAIRs onboard triggers. I also suggest different strategies in order to mitigate these impacts and to improve the onboard trigger performances. I analyzed the data from the calibration campaigns and performed simulations with the ground model of the ECLAIRs trigger software in order to design and evaluate the different strategies. Most of the impact of HTPs can be corrected by excluding them from processing. To correct the impact of LEPs, an efficiency correction in the detector plane image seems to be a good solution. An effective solution for heat-pipe noise is to select noisy pixels and ignore them in the 4-8 keV band. From calibration data, I also calculated the efficiency value in the 4-8 keV range. I obtained an effective area of 142 cm2 at 4.5 keV and 310 cm2 at 8 keV. These values take into account the influence of LEP and HTP. After studying and correcting instrumental effects in the 4-8 keV band, I investigated the contribution of this low-energy band to ECLAIRs trigger performance for different types of GRBs. I carried out this study using ECLGRM software developed by various institutions (CNRS, CEA, CNES), and the ECLAIRs trigger test bench (UGTS). Through simulations, we obtain the ECLAIRs trigger sensitivities for different GRBs at different locations. I found that the sensitivity of ECLAIRs for soft GRB detection increased significantly after adding the 4-8 keV energy bands. For GRBs with peak energies equal to 5 keV, the SNR of the detection is increased by about 60%. To simulate a realistic scenario, I performed trigger simulations on 57 HETE-2 GRB samples using the UGTS (same hardware as the ECLAIRs onboard trigger) test bench with the selected trigger band configuration to begin the commissioning phase. I compared the triggering performance of count-rate trigger (CRT) and image trigger algorithms (IMT) in UGTS and found that CRT could trigger 55 out of 57 GRB of the sample and IMT could trigger 52. This result suggests that count-rate triggering is more sensitive than image trigger for weakly medium-long GRBs (< 40 s).
SVOM (Space-based multi-band astronomical Variable Objects Monitor) est une mission franco-chinoise dédiée à l'étude du ciel des phénomènes transitoires. Sa mise en service est prévue pour 2024. ECLAIRs est un télescope à masque codé doté d'un grand champ de vue. Il est conçu pour détecter et localiser les sursauts gamma (GRB) dans une gamme d'énergie allant de 4 keV à 120 keV. En 2021, le télescope ECLAIRs a fait l'objet de plusieurs campagnes d'étalonnage dans des chambres d'essai sous vide afin d'évaluer ses performances. Entre 4 et 8 keV, la réponse en coups du plan de détection présente des inhomogénéités entre les pixels de différents lots de production. L'inhomogénéité de l'efficacité est causée par des pixels à faible efficacité (LEP) provenant de l'un des deux lots, ainsi que par des pixels à seuil élevé (HTP) dont le seuil a été relevé pour éviter les effets de diaphonie. En outre, des bruits inattendus ont été détectés dans les régions du plan de détection proches des caloducs. J'ai étudié l'impact de ces inhomogénéités et du bruit des caloducs à basse énergie sur le trigger embarqué d'ECLAIRs. Je propose différentes stratégies afin d'atténuer ces impacts et d'améliorer les performances du trigger. J'ai analysé les données des campagnes d'étalonnage et effectué des simulations avec le modèle sol du logiciel du trigger afin de concevoir et d'évaluer les différentes stratégies. La majeure partie de l'impact des HTP peut être corrigée en les excluant du traitement. Pour corriger l'impact des LEP, une correction d'efficacité dans l'image du plan du détecteur semble être une bonne solution. Une solution efficace pour le bruit des caloducs consiste à sélectionner les pixels bruyants et à les ignorer dans la bande 4-8 keV. A partir de données d'étalonnages, j'ai aussi calculé la valeur de l'efficacité dans la gamme 4-8 keV. J'ai obtenu une surface effective de 142 cm2 à 4.5 keV et de 310 cm2 à 8 keV. Ces chiffres tiennent compte de l'influence du LEP et du HTP. Après avoir étudié et corrigé les effets instrumentaux dans la bande 4-8 keV, je me suis intéressé à l'apport de cette bande basse énergie dans la performance de détection par le trigger d'ECLAIRs pour différents types de GRBs. J'ai effectue cette étude en utilisant le logiciel ECLGRM développé par différentes institutions (CNRS, CEA, CNES), et le banc de test du logiciel embarqué d'ECLAIRs (UGTS). Grâce à ces simulations, j'ai calculé les sensibilités de déclenchement d'ECLAIRs pour différents GRBs à différentes positions dans le champ de vue. J'ai ainsi constaté que la sensibilité d'ECLAIRs pour la détection des GRB mous augmentait de manière significative après l'ajout de la bande d'énergie 4-8 keV. Pour les GRB dont l'énergie du pic est égale à 5 keV, le SNR de la détection augmente d'environ 60%. Pour simuler un scénario plus réaliste, j'ai effectué des simulations sur 57 échantillons de GRBs HETE-2 en utilisant le banc d'essai UGTS (même matériel que le logiciel embarqué d'ECLAIRs) avec la configuration des bandes sélectionnée pour la phase de recette en vol. J'ai comparé les performances de détection des algorithmes du trigger "taux de comptage" (CRT) et "image" (IMT) dans l'UGTS et j'ai constaté que CRT pouvait détecter 55 des 57 GRBs de l'échantillon et que IMT pouvait en détecter 52. Ce résultat suggère que le trigger taux de comptage est plus sensible que le trigger image pour les GRBs moyennement longs (< 40 s).
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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