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Etude tridimensionnelle de l'activité électrique, microphysique et dynamique d'une ligne de grain observée pendant la campagne HyMeX / Three-dimensional lightning activity relative to microphysics and kinematics during a HyMeX quall line

Ribaud, Jean-François 09 October 2015 (has links)
La question de la prévision des évènements fortement précipitants se produisant sur le bassin Méditerranéen est au coeur du programme international HyMeX (Hydrological cycle in Mediterranean EXperiment, http://www.hymex.org/) dont l'un des objectifs est d'améliorer la prévision et la prévention des risques hydrométéorologiques du bassin méditerranéen dans le contexte du changement climatique. Durant l'automne 2012, une campagne de mesures de deux mois dite "Période d'Observation Spéciale" (SOP1) a été menée afin de documenter les conditions propices à la formation et au développement des évènements convectifs de type cévenol souvent responsables de crues dévastatrices. Pendant cette SOP1 un dispositif instrumental sans précédent a été déployé avec notamment pour la première fois sur le sol français un imageur à haute résolution spatio-temporelle permettant d'observer les décharges électriques en trois dimensions : le Lightning Mapping Array (LMA). Cet instrument a été combiné aux radars du réseau ARAMIS de Météo-France, et plus précisément aux radars Doppler à diversité de polarisation dans le Sud-Est de la France qui offrent la possibilité d'obtenir des informations sur le type et la distribution des hydrométéores au sein des systèmes précipitants. La production d'éclairs étant le résultat d'une électrisation issue des interactions microphysiques (collisions entre graupels et cristaux de glace en suspension), une description détaillée des différents types d'hydrométéores présents dans les nuages convectifs est essentielle. Dans cette optique, les algorithmes d'identification des hydrométéores développés par Météo-France ont été évalués puis améliorés. Les résultats de cette étude ont montré que les restitutions entre les différents radars étaient plutôt cohérentes, à condition que l'information sur l'altitude de l'isotherme 0°C soit correcte. Ce travail a ensuite été complété par la création, via une méthode originale, de composites 3D d'hydrométéores permettant de décrire la microphysique majoritairement présente dans les systèmes convectifs observés pendant la campagne HyMeX. La deuxième partie de ce travail s'est basée sur l'exploitation de la synergie radar-LMA sur une ligne de grain observée durant la SOP1 de HyMeX. Les principales informations déduites de ce couplage ont mis en exergue l'importance des processus microphysiques intervenant dans l'électrisation du nuage d'orage, ainsi que l'impact du relief sur l'activité électrique globale du système convectif. Sur les quatre heures de données analysées du 24 Septembre 2012, le déclenchement et la propagation des éclairs ont majoritairement été observés dans les espèces microphysiques que sont le graupel, les cristaux de glace et dans une moindre mesure la grêle. Cette étude souligne également le rôle important de la topographie sur l'activité électrique et montre que le passage d'un faible relief peut dramatiquement influencer la distribution et l'intensité des éclairs dans les régions convectives. / The Hydrological cycle in Mediterranean Experiment (HyMeX, http://www.hymex.org/) is a 10-year research program focusing on the quantification and understanding of the water cycle in the Mediterranean at various time and spatial scales with particular emphasis on high-impact weather events. This study takes place within the framework of the first HyMeX field phase (HyMeX-SOP1), which was conducted in the autumn 2012. The unique and extensive dataset collected during this field campaign offers the possibility to further investigate the complex relationships between cloud microphysics and lightning at play within mesoscale convective systems observed in southern France. With this regard, the present study make the use of a Lightning Mapping Array (LMA) along with operational dual-polarization weather radar. The first instrument allows documenting the three-dimensional lightning activity, whereas the second has the ability to determine the type of hydrometeors within cloud systems. Since the production of lightning is the result of an electrification created by microphysical collisions between graupels and ice crystals in suspension, a highly detailed description of hydrometeor types within convective clouds is needed. With this respect, an improved version of Météo-France hydrometeor classification algorithm was developed and evaluated so as to be able to discriminate between a large number of microphysics species. Overall hydrometeor species retrieved from a pair of neighbouring radars within a common sampling area are consistent from one to another. This study has however pointed out the need to check the consistency related to the identification of 0°C isotherm derived from numerical weather prediction model outputs before to perform hydrometeor identification. As a follow up to this work, a novel interpolation method allowing the remapping of single-radar hydrometeor fields onto a common Cartesian grid was developed in order to get access the three-dimensional hydrometeor distribution within HyMeX convective systems. Another part of this work aims at combining LMA and polarimetric radar observations to infer relationships between the total lightning activity, microphysics, and kinematics within the intense bow-echo system observed above the complex terrain of southern France during HyMeX. Using the synergy between LMA and polarimetric radar data, it is underlined that microphysical processes involved in cloud electrification, along with the impact of the topography play at part onto the global lightning activity. Based on a 4h analysis on the 24 Setptember 2012, it is found that lighting initiation and propagation take preferentially place within graupel, ice and to a lesser extent hail regions. This study also highlights the important role of topography on lightning activity and shows that even a small hill can dramatically influence the distribution and intensity of lightning within convective areas.
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Caractérisation des modules de détection de la caméra ECLAIRs pour la mission SVOM / Varacterizing the detection module paving the ECLAIRs camera for the SVOM gamma-ray buts mission

Nasser, Guillaume 29 September 2015 (has links)
Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la mission Sino-française SVOM (Space-based multi-band Variable Object Monitor) dédiée à l'étude des sursauts gamma à l'horizon 2020. Ces explosions cosmologiques très intenses apparaissent aléatoirement sur le ciel comme des bouffées de photons très brèves (de quelques milli-secondes à quelques minutes). Ils sont engendrés par la formation catastrophique de trous noirs dans le cœur de certaines étoiles massives en effondrement gravitationnel ou par la coalescence de deux objets compacts et se caractérisent par de puissants jets ultra-relativistes orientés vers la Terre. SVOM permettra d'étudier la nature des progéniteurs, les mécanismes d'accélération des particules et les processus d'émission associés, la géométrie des jets et leurs compositions. Le satellite implémentera une charge utile multi-longueur d'onde dont le cœur sera la caméra grand-champ à masque codé, ECLAIRs, en charge de la détection et de la localisation des sursauts gamma entre 4 et 150 keV. Ma thèse a pour objectif de caractériser les performances scientifiques des modules de détection XRDPIX (i.e. un hybride de 8x4 détecteurs couplés à une électronique bas bruit) qui paveront le plan de détection, DPIX, de la caméra. Pour ce faire, je discute ma méthodologie pour caractériser les impacts des paramètres instrumentaux sur les performances des XRDPIX en me basant sur les résultats des nombreuses campagnes de tests que j'ai menées sur plusieurs modules au moyen d'un banc de test vide-thermique dédié et de sources radioactives. J'étudie la contribution des différentes sources de bruit en développant un modèle me permettant de contrôler la qualité du processus d'hybridation des détecteurs avec leur électronique de proximité. Je délimite la zone de fonctionnement optimale pour le vol des modules de détection en étudiant statistiquement l'impact des différents paramètres instrumentaux sur leur bruit et leur efficacité de comptage. Je mets en évidence l'apparition de comportements instables sur quelques voies dans certaines configurations. Je discute le protocole expérimental mis en place pour caractériser la nature de ces instabilités ainsi que les solutions envisagées. J'optimise les critères de sélection des détecteurs pour le modèle de vol à partir de mesures spectroscopiques et de courant de fuite effectuées sur une population de 12000 détecteurs. Finalement, je présente les résultats d'essais réalisés à l'accélérateur TANDEM pour caractériser l'impact des particules chargées (protons de 20 MeV et particules alpha de 30 MeV) sur la chaine électronique d'ECLAIRs. / Gamma-ray bursts (GRBs) are short and very intense flashes of X-/gamma-ray photons lasting from few milliseconds to hundreds of seconds appearing randomly over the sky. These cosmological events are thought to be due to the catastrophic formation of newly formed black holes following the collapse of some massive stars or after the coalescence of two compact objects and resulting in the launch of powerful ultra-relativistic jets orientated towards the Earth. The Sino-French mission SVOM (Space-based multi-band Variable Object Monitor) is dedicated to the study of these extreme and fascinating transient events and expected to be launched in 2020s. The satellite will implement a multi-wavelength science payload amongst which the core will be the large-field coded-mask camera ECLAIRs in charge of the detection and the localisation of GRBs in the 4-150 keV range. The ECLAIRs detection plane, DPIX, is made of 80x80 Schottky CdTe semi-conductor detectors and the front-end electronics. During my PhD, I mainly worked on the characterization of the scientific performance of the elementary detection modules called XRDPIX (i.e. a hybrid made of 8x4 detectors coupled with a low-noise ASIC) that will paved the DPIX. The main goal is then to derive the best suitable choice of the instrumental parameters in order to optimize the camera in-flight performance. In the manuscript, I discuss the methodology I used to explore the instrument parameter space. I describe the various testing protocoles that I created and the different tests that I performed using several XRDPIX modules in a thermal-vacuum chamber and irradiated with radioactive sources. I discuss in detail the results and the various observables that I used to define the optimal in-flight operating zone of the detection plane. I also study the contribution of the different noise sources coming from the detectors and the electronic chain with a model I designed in order to control the quality of the hybridization process. I also highlight evidence for instable behaviors of some XRDPIX channels. I describe the experiments performed in order to investigate their nature and I discuss the possible solutions to mitigate their impacts of the overall XRDPIX performance. Finally, I study the impact of particles on the ECLAIRs X/?-ray camera electronic chain.
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Etude des réponses temporelle et spectrale de l'instrument ECLAIRs pour la mission SVOM / Studies of temporal and spectral responses of the eclairs instrument for the mission svom

Bajat, Armelle 09 October 2018 (has links)
La mission Franco-chinoise SVOM (Space based multi-band Variable astronomical Object Monitor), est dédiée à l'étude des sursauts ƴ, intenses et brèves bouffées de photons en X et ƴ, associées à la formation catastrophique de trous noirs. SVOM embarquera en 2021 quatre instruments observant du visible jusqu'aux rayonnements ƴ. ECLAIRs, télescope principal, est une caméra à masque codé capable de détecter et localiser, environ 200 sursauts pendant les trois années de vie de la mission. Son plan de détection compte 6400 détecteurs CdTe à contact Schottky, qui sont regroupés en matrice de 32 formant un module. Le plan est divisé en huit secteurs électroniquement indépendants, composés chacun de 25 modules. Chaque électronique est dédiée à la lecture et au codage du temps, de la position, de la multiplicité et des énergies des événements détectés sur un secteur. La validation des fonctionnalités de l'électronique de lecture a permis de s'assurer du bon codage des événements, d'estimer les limites de l'électronique et de construire un modèle analytique de correction efficace des événements perdus. Une application à une courbe de lumière d'un sursaut brillant a permis de valider théoriquement ce modèle et des mesures réalisées sur le prototype ont permis de le valider expérimentalement. D'autre part, un modèle complet de la réponse spectrale a été construit afin de caractériser chaque détecteur pavant le secteur du prototype et d'estimer la réponse du plan de détection des photons mono-énergétiques. Les processus physiques des interactions rayonnement-matière ont été simulés ainsi qu'un modèle de perte de charges puis une convolution gaussienne permet de considérer le bruit électronique. Ce modèle, comptant six paramètres libres, est ajusté à des spectres réalisés sur le prototype. L'étude des paramètres extraits caractérise les performances de chaque détecteur dans toutes les configurations de tension et de t peaking et permet d'optimiser les performances de l'instrument. / The french-chinese mission SVOM (Space-based multi-band variable Astronomical Object Monitor), is dedicated to the study of ƴ-rays bursts, brief and intense X and ƴ photons flashes, associated with the catastrophic formation of black holes. SVOM will embark in 2021 four instruments observing from the visible to ƴ rays. ECLAIRs, the main telescope, is a coded mask camera able to detect and locate, about 200 bursts during the three years nominal life time of SVOM. Its detection plan counts 6400 Schottky CdTe detectors, grouped into a matrix of 32 pixels forming a module. The plan is divided into eight electronically independent sectors, each consisting of 25 modules. Each electronic is dedicated to read and encode, the time, the position, the multiplicity and the energies of the detected events on a sector. The validation of each functionality of the readout electronics allows to ensure the correct encoding of the events, to estimate the limits of the electronics and to build an analytical model of lost events efficient correction. An application to a lightcurve of a bright GRB permits to validate theoretically this model and measurements carried out on the prototype validates it experimentally. On the other hand, a complete model of the spectral response has been established to characterize each detector on the sector of the prototype and to estimate the response of the plan of detection of the mono-energetic photons. The physical processes of the radiation-matter interactions are simulated as well as a model of lost charges then a Gaussian convolution takes into account the electronic noise. This model, counting six free parameters, is fitted to spectra measured on the prototype. The study of the extracted parameters characterizes the performance of each detector in every voltage and t peaking configurations optimizing the performance of the instrument.
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High-Redshift Gamma-ray Bursts as seen by SVOM/ECLAIRs

Llamas Lanza, Miguel January 2021 (has links)
Gamma Ray Burst (GRB) are very bright cosmological explosions signalling the catastrophic formation of a black hole. Therefore, they act like real light beacons that could be detected through-out the Universe and be used as probes to study the contents and phases of the early Universe. However, only a handful sample is known so far. This is for two reasons: instrumental biases that may prevent their detection and the difficulty to find a near Infrared counterpart preventing their redshift measurements. The wide-field trigger camera ECLAIRs to-fly on-board the Space-based multi-band Variable Object Monitor (SVOM) mission will detect γ-/X-ray transients down to energies of 4 keV, as well as creating an alert for multi-wavelength/messenger follow-ups. My study focuses on analysing how ECLAIRs will detect GRBs, and more particularly high-redshift GRBs, based on a well-selected sample of GRBs with redshift measurement associated (see Section 2). Studying how ECLAIRs will see them may help identifying possible instrument biases as well as common observational characteristics for such GRBs that may be used in turn to recognise such special GRBs once SVOM will be launched. Using software tools developed within the ECLAIRs collaboration, I built an end-to-end simulator which I used to simulate the detection by ECLAIRs of the GRBs in the sample at their original redshift and higher redshifts (up to z = 15). I implemented a suited version of the count-rate trigger on-board ECLAIRs to assess the detectability of these bursts, and I retrieved their duration over the background when detected (see Section 2). The analysis shows good performance for detecting high-redshift GRBs in the centre of the Field of View (fully-coded), but significantly reduced, in comparison to other GRBs, for partially-coded detection. 5 of the GRBs with z > 3.83 present a successful detection up to at least z = 15 (see Section 3). The retrieved rest-frame duration of a GRB remains constant for several redshifts in the simulations if the detected burst did not present a low-flux emission in their lightcurve, which is common for high redshift GRBs. On the other hand, if the original lightcurve of a burst presents this low-flux emission, it becomes buried in noise when simulating it at higher redshifts. This confirms the tip-of-the-iceberg detection bias which depends on the lightcurve burst morphology, and it may explain why the current sample seems to present lower burst durations at higher redshifts.

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