Extreme Universe Space Observatory on Japanese Experiment Module (JEM-EUSO) est conçu comme l’expérience de rayons cosmiques de prochaine génération pour observer les particules hautement énergétiques au-dessus de 10²⁰ eV. Le projet est mené par RIKEN et soutenu par une collaboration de plus de 200 membres provenant de 13 pays. Cet observatoire, sous la forme d'un télescope fluorescent, sera arrimé à la Station Spatiale internationale (ISS) pour un lancement prévu en 2017. En observant les gerbes atmosphériques produites dans la troposphère, à une altitude de 400 km, cet observatoire de rayons cosmique offrira une grande surface de détection, qui est au moins 100 fois supérieur que le plus grand détecteur de rayons cosmiques jamais construit. La surface focale de JEM-EUSO sera équipée d'environ 5000 unités de photomultiplicateur multianode 8x8 pixels (MAPMT). Un circuit intégré (ASIC), connu sous le nom SPACIROC, a été proposé pour la lecture du MAPMT. Cet ASIC de 64 voies propose des fonctionnalités comme le comptage de photons, la mesure des charges et le transfert de données à haute vitesse. Par-dessus tout, cet ASIC doit peu consommé afin de respecter la contrainte de puissance de JEM-EUSO. Réalisé en utilisant la technologie AMS Silicium-Germanium (SiGe) 0,35 µm, cet ASIC intègre 64 canaux de comptage de photons rapides (Photon Counting). La résolution de temps pour le comptage de photons est de 30 ns, ce qui permettra d’atteindre la valeur maximale comptage qui est de l'ordre de 10⁷ photons / s. Le système de mesure de charge est basé sur le Time-Over-Threshold qui offre 8 canaux de mesure. Chaque canal de mesure est une somme des 8 pixels du MAPMT et il est prévu que ce système est capable de mesurer jusqu'à 200 pC. La partie numérique fonctionne en continu et gère la conversion des données de chaque voie des blocs de Photon Counting et Time-Over-Threshold. Les données numériques sont transmises par l'intermédiaire de liaisons parallèles dédiées et ces opérations sont effectuées pendant une fenêtre de communication ou « Gate Time Unit » (GTU) de fréquence 400 kHz. Le taux de transfert des données d’ASIC avoisine les 200 Mbps ou 576 bits / GTU. La dissipation de puissance est strictement inférieure à 1 mW par canal ou 64 mW pour l'ASIC. Le premier prototype de SPACIROC a été envoyé pour fabrication en Mars 2010 au Centre Multi Projet (CMP). Des puces nues et packagés ont été reçues en Octobre 2010, ce qui a débuté la phase de caractérisation de cet ASIC. Après une phase de test réussie, des puces SPACIROC ont été intégrés dans l'électronique frontale d'un instrument pour détecter les sursauts gamma - Ultra Fast Flash Observatoire (UFFO) qui va être lancé en 2013. Vers la fin de l'année 2012, des cartes électroniques frontales conçues autour des puces SPACIROC ont été fabriqués pour le projet EUSO-Balloon. Ce projet de vol en ballon stratosphérique à une altitude de 40 km servira comme le démonstrateur technologique et l'ingénierie d'un instrument miniaturisé JEM-EUSO. La deuxième génération de cet ASIC a été envoyée à la fonderie en Décembre 2011. Ce second prototype, SPACIROC2, a été testé à partir de mai 2012. Les principales améliorations sont les suivantes: la consommation d'énergie a été revue à la baisse, ainsi que l'amélioration de la résolution temporelle de Photon Counting et l'extension de la gamme dynamique pour le module Time-Over-Threshold. Les mesures en cours ont montré que SPACIROC2 présente un bon comportement général et apporte des améliorations par rapport à son prédécesseur. / Extreme Universe Space Observatory on Japanese Experiment Module (JEM-EUSO) is conceived as the next generation cosmic rays experiment for observing the highly energetic particles above 5.10¹⁹ eV. The project is lead by RIKEN and supported by an active collaboration of more than 200 members from 13 countries. This observatory, in the shape of a wide field-of-view UV telescope, will be attached to the International Space Station (ISS) for a planned launch in 2017. Observing the Air Showers generated in troposphere from an altitude of 400 km, this space based cosmic rays experiment will offer a very large instantaneous detection surface, which is at least 100 times bigger than the largest land based cosmic rays observatory. The detection surface of JEM-EUSO will be equipped with around 5000 units of 8x8 pixels Multianode Photomultiplier (MAPMT). A radiation hardened mixed signal application-specific integrated circuit (ASIC), known as SPACIROC, has been proposed for reading out the MAPMT. This ASIC features 64-channel analog inputs, fast photon counting capabilities, charge measurements and high-speed data transfer. Above all, the power dissipation of this ASIC is required to be very low in order to comply with the strict power budget of JEM-EUSO. By taking the advantages of high speed AMS 0.35 µm Silicon-Germanium (SiGe) process, this ASIC integrates 64 fast Photon Counting channels. The photon counting time resolution is 30 ns, which allows the theoretical counting rate in the order of 10⁷ photons/s. The charge measurement system is based on Time-Over-Threshold which offers 8 measurement channels. Each measurement channel is composed of 8 pixels of the MAPMT and it is expected that this system will measure up to 200 pC. The digital part is then required to operate continuously and handles data conversion of each Photon Counting and Time-Over-Threshold channel. For the first version of this ASIC, one channel measurement channel for the dynode is also available. The digital data are transmitted via dedicated parallel communication links and within the defined Gate Time Unit (GTU) of 400 kHz frequency. The ASIC data output rate is in the vicinity of 200 Mbps or 576 bits/GTU. The power dissipation is kept strictly below 1 mW per channel or 64 mW for the ASIC. The first prototype of SPACIROC was sent for tapeout in March 2010 through Centre Multi Projet (CMP) prototyping services. The packaged ASICs and bare dies have been received in October 2010 which marked the characterization phase of this chip. After successful testing phase, SPACIROC chips were integrated into the front-end electronics of an instrument pathfinder for detecting the gamma ray bursts – Ultra Fast Flash Observatory (UFFO) which is foreseen to be launched in 2013. Towards the end of 2012, front-end board designed around SPACIROC chips have been fabricated for the EUSO-Balloon project. This balloon borne project will serve as a technical and engineering demonstrator of a fully miniaturized JEM-EUSO instrument which will be flown to the stratosphere at the altitude of 40 km. The second tapeout of this ASIC was done in December 2011. This second prototype, SPACIROC2, was tested from May 2012. The main improvements are as follows: lower power consumption due to better power management, enhancement in Photon Counting time resolution and extension the Time-Over-Threshold maximum input rate. The ongoing tests have shown that SPACIROC2 exhibits a good overall behavior and improvement compared to its predecessor.

JEM-EUSO est un projet de télescope spatiale dédié à la détection des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie (RCUHE) (d'énergie supérieure à 10/48 eV) par l'observation de l'émission de lumière ultra-violette produite par l'interaction entre li rayon cosmique et l'atmosphère terrestre. Dans le cadre de ma thèse, j'ai travaillé sur le premier démonstrateur du projet, EUSO-Balloon, une version réduite de l'instrument prévu pour JEM-EUSO portée par un ballon stratosphérique. J'ai participé à l'étalonnage de la surface focale du ballon, composée de 36 photo-multiplicateurs multi-anodes (MAPMT), ainsi qu'à l'intégration de l'électronique de lecture et l'assemblage et les tests de l'instrument complet. J'ai pris part à la campagne de vol qui s'est déroulée à Timmins, au Canada, pour un vol la nuit du 24 août 2014. Pendant le vol, l'instrument a pu observer le flux lumineux en ultra-violet émis et réfléchi par le sol, ainsi que des impulsions laser tirées à partir d'un hélicoptère volant sous l'instrument pendant une partie de la mission et simulant le signal émis par un RCUHE interagissant avec l'atmosphère terrestre. Après le succès du premier vol d'EUSO-Balloon, un second vol est prévu au printemps 2017. Ce vol est prévu pour durer plusieurs semaines, et a pour objectif principal l'observation de RCUHE. Pour préparer ce vol, et à la suite des retours de la première mission, j'ai participé à plusieurs campagnes de tests afin d'améliorer certains aspects technologiques de l'instrument. J'ai également mené des simulations afin d'estimer le nombre d'UHECR que l'instrument détectera pendant un vol de plusieurs semaines / JEM-EUSO is a future space UV telescope dedicated to the observation of Ultra-High Energy Cosmic Rays( UHECR), through 'the detection of the UV light emitted by the interaction between the UHECR and the Earth atmosphere. The work done during my PhD was focused on EUSO-Balloon, a smaller scale balloon borne prototype of JEM-EUSO with a complete detection chain and Fresnel optics. During my PhD, I took part in the calibration of the focal surface, made up of 36 mufti-anode photomultipliers as well as the integration and full scale tests of the read-out electronics and the whole instrument. I took part of the flight campaign in Timmins, Canada with a flight on the 24`11 of August 2014. During the flight, the instrument was able to observe the UV light emitted and reflected by the ground as well as laser pulses shot from an helicopter flying under the balloon during the first part of the flight to simulate UHECR signal as seen from the instrument. After the success of the first flight of EUSO-Balloon, a second flight o a several weeks is planned for spring 2017, with the goal of observing real UHECR events from above. I took part of several test campaigns to improve the performances of the instrument for the second flight. Finally, I mn a serie of simulations to estimate the number of events the instrument should be able to detect during a several-week flight

L'instrument EUSO-Balloon est un prototype pour le télescope JEM-EUSO, destiné à observer pour la première fois depuis l’espace les gerbes atmosphériques induites par les rayons cosmiques d'ultra-haute énergie. Le principe de détection repose sur la mesure des photons émis par la fluorescence de l’atmosphère terrestre lors du développement des gerbes. EUSO-Balloon, un télescope UV embarqué à bord d’un ballon stratosphérique, a pour but de prouver la pertinence des concepts instrumentaux développés dans le cadre du projet JEM-EUSO. Cette thèse est dédiée en grande partie à l’assemblage, l’intégration et les tests du module de photo-détection d’EUSO-Balloon. Il s’agit d’un ensemble de 36 tubes photomultiplicateurs multi-anodes, pour un total de 2304 pixels, et d’une électronique de lecture permettant d’imager le développement, s’effectuant à la vitesse de la lumière, des gerbes atmosphériques. Cette caméra permet ainsi de réaliser des images de 2,5 microsecondes avec une sensibilité au photo-électron unique. Il aura été démontré que la mesure de l’efficacité de photo-détection de la caméra est réalisable avec une précision inférieure à 5% pour la tension de polarisation adaptée. EUSO-Balloon a effectué son premier vol en août 2014 lors duquel il a été prouvé, grâce à l’utilisation d’événements simulés par tirs lasers, qu’il est possible d’imager le développement de gerbes atmosphériques depuis le proche espace. Les données enregistrées permettent de réaliser une étude sur le bruit de fond UV produit par l’atmosphère terrestre. L’ensemble du travail d’assemblage, d’intégration et de test permet d’envisager les développements pour les futures missions. / The EUSO-Balloon instrument is a prototype for the JEM-EUSO telescope, intended to observe for the first time from space the extensive air showers (EAS) induced by the ultra-high energy cosmic rays. The detection technique relies on the measurement of the photons produced by the fluorescence of the Earth’s atmosphere when EAS develop. EUSO-Balloon, a UV telescope payload of a stratospheric balloon, has the objective to prove the relevance of the concepts developed for the JEM-EUSO project. An important part of this thesis is devoted to the assembly, the integration and the test of the EUSO-Balloon’s photo-detection module. It is an array of 36 multi-anodes photo-multiplier tubes, for a total of 2,304 pixels, and of a readout electronics able to image the development at the speed of the light of the EAS. It has a framing time of 2.5 microseconds with a single photo-electron sensitivity. It has been proved that the photo-detection efficiency of this camera can be measured with an accuracy better than 5% for the proper polarization voltage. The first flight of EUSO-Balloon happened in August 2014 and proved, with the use of laser induced events, that air showers can be imaged for the near space. Data acquired during this flight allow to study the UV background originating from the Earth’s atmosphere. The assembly, integration and test work provided during this project leads the development of future missions.

The main mission of the JEM-EUSO (Extreme Universe Space Observatory) Collaborationis to observe Cosmic Rays. These high energy particles come from a variety of sources and bombard the Earth all the time. However, the higher the energy, the lower the flux, and particles with an energy above 1018eV (called Ultra High Energy Cosmic Rays or UHECRs) are so sparse that just a few might hit the atmosphere in a year. When CRs, and UHECRs, hit the atmosphere they cause what is called Extensive Air Showers, EAS, a cascade of secondary particles. This limits the effectiveness of ground based observatories, and that is where theJEM-EUSO Collaboration comes in. The goal is to measure UHECRs, by observing the fluorescence of the EAS from space. This way huge areas of the atmosphere can be covered and both galactic hemispheres can be studied. Since the JEM-EUSO instruments are telescopes measuring in the near UV range, a lot of other phenomena can be observed. One of these applications is UV nightglow. Airglow in general are lights in the sky which are emitted from the atmosphere itself, while nightglow is simply the nighttime airglow. There are many uses of airglow, and one of these is as a medium to observe atmospheric gravity waves. The aim of this thesis is to investigate how a space-based photon counting telescope, such as those of the JEM-EUSO Collaboration, can be used to measure disturbances in the terrestrial nightglow, to identify atmospheric gravity waves. To accomplish this, a theoretical basis for these interactions was explored and a simple scenario was built to explore the plausibility of measuring UV nightglow modulations. The aim was to see what variables would affect a measurement, and how important they were. Along side this, a calibration was conducted on one of the JEM-EUSO Collaborations instruments, the EUSO-TA (EUSO-Telescope Array). The goal in the end was to try and measurethe night sky, to complement the calculations. The investigation showed that the conditions during the measurement are very important to the measurement. This includes things like background intensity, nightglow activity, and magnitude/shape of the modulations. Of more importance though are the parameters which can be actively changed to improve the measurement, the most important of which is measurement time. It was concluded that a measurement of the nightglow modulation should be, under the right conditions, possible to do with a currently operating instrument, the Mini-EUSO, or similar instrument. The calibration of the EUSO-TA involved a series of repairs and tests, which highlighted some strengths and weaknesses of the instrument. However, the calibration itself produced few workable results that in the best case scenario reduced the focal surface to an unevenly biased 2-by-2 Elementary Cell square. Unfortunately this would not be sufficient to do proper measurements with, but the process did point out shortcomings with the then involved sensors, as well as some problematic aspects of the software operating the instrument.

L’expérience JEM-EUSO (traduction de Observatoire spatial de l’univers extrême à bord du module de l'expérience japonaise) est conçu pour observer les UHECR en détectant la lumière fluorescente UV émise par la gerbe qui se développe lorsque les UHECR interagissent avec l'atmosphère terrestre. Les gerbes atmosphériques sont constituées de dizaines de milliards de particules secondaires ou plus traversant l'atmosphère quasiment à la vitesse de la lumière, excitant les molécules d'azote qui émettent ensuite de la lumière dans la gamme UV. Alors que cette « technique de fluorescence » est habituellement utilisée au sol, en opérant ainsi à partir de l'espace, JEM-EUSO, pour la première fois, fournira des statistiques élevées sur ces événements. Avec un large champ de vue de ± 30 °, JEM-EUSO pourra observer depuis l’espace un volume d'atmosphère beaucoup plus grand que ce qui est possible du sol, en collectant un nombre sans précédent d'événements UHECR aux plus hautes énergies.Pour les quatre prototypes d’expériences construites par la collaboration, nous avons développé un ensemble commun d'électronique, en particulier le système central d'acquisition de données capable de fonctionner au sol, sur des ballons à haute altitude et dans l'espace.Ces expériences utilisent toutes un détecteur composé d'un module de détection de photo (PDM) identique aux 137 qui seront présents sur la surface focale JEM-EUSO. La lumière UV générée par les gerbes atmosphériques à haute énergie passe le filtre UV et frappe les tubes à photomultiplicateurs multi-anodes (MAPMT). Les photons UV sont alors transformés en électrons, qui sont multipliés par les MAPMT et le courant qu’ils créent est amplifié par des cartes ASIC de circuit intégré (EC-ASIC), qui effectuent également le comptage des photons et l'estimation de charge. Une carte FPGA nommé PDM board s'interface avec ces cartes ASIC, fournissant des paramètres d'alimentation et de configuration à ces cartes ASIC, collecte alors les données et exécute le déclenchement d’acquisition de niveau 1.Dans le cadre de ces travaux, je me suis occupée de la conception, du développement, de l'intégration et du test la carte FPGA PDM board pour les missions EUSO-TA et EUSO-Balloon ainsi que des tests d'algorithme de déclenchement autonomes d’acquisitions et j'ai également analysé les données de vol d’EUSO-Balloon et de la campagne sol EUSO-TA d’octobre 2015.Dans cette thèse, je donnerai un bref aperçu des rayons cosmiques à haute énergie, y compris de leur technique de détection et des principales expériences pour les détecter (chapitre 1), je décrirai JEM-EUSO et ses pathfinders (chapitre 2), je présenterai les détails de la conception et de la fabrication du PDM (chapitre 3) et de la carte FPGA PDM board (chapitre 4), ainsi que des tests d'intégration d’EUSO-TA et d’EUSO-Balloon (chapitre 5). Je ferai un rapport sur la campagne EUSO-Balloon de 2014 (chapitre 6) et sur ses résultats (chapitre 7), y compris une analyse spécifique développée pour rechercher des variations globales de l'émissivité UV au sol et j’appliquerai une analyse similaire aux données collectées sur le site de Telescope Array (Chapitre 8). Enfin, je présenterai la mise en œuvre et le test du déclencheur de premier niveau (L1) dans la carte de contrôle FPGA (chapitre 9). Un bref résumé de la thèse sera donné au chapitre 10. / The JEM-EUSO (Extreme Universe Space Observatory on-board the Japanese Experiment Module) international space mission is designed to observe UHECRs by detecting the UV fluorescence light emitted by the so-called Extensive Air Shower (EAS) which develop when UHECRs interact with the Earth’s atmosphere. The showers consist of tens of billions or more secondary particles crossing the atmosphere at nearly the speed of light, which excite nitrogen molecules which then emit light in the UV range. While this so-called “fluorescence technique'” is routinely used from the ground, by operating from space, JEM-EUSO will, for the first time, provide high-statistics on these events. Operating from space, with a large Field-of-View of ±30 °, allows JEM-EUSO to observe a much larger volume of atmosphere, than possible from the ground, collecting an unprecedented number of UHECR events at the highest energies.For the four pathfinder experiments built within the collaboration, we have been developing a common set of electronics, in particular the central data acquisition system, capable of operating from the ground, high altitude balloons, and space.These pathfinder experiments all use a detector consisting of one Photo-detection Modules (PDMs) identical to the 137 that will be present on the JEM-EUSO focal surface. UV light generated by high-energy particle air showers passes the UV filter and impacts the Multi-anode Photomultiplier Tubes (MAPMT). Here UV photons are converted into electrons, which are multiplied by the MAPMTs and fed into Elementary Cell Application-Specific Integrated Circuit (EC-ASIC) boards, which perform the photon counting and charge estimation. The PDM control board interfaces with these ASIC boards, providing power and configuration parameters, collecting data and performing the level 1 trigger. I was in charge of designing, developing, integrating, and testing the PDM control board for the EUSO-TA and EUSO-Balloon missions as well as the autonomous trigger algorithm testing and I also performed some analysis of the EUSO-Balloon flight data and data from the EUSO-TA October 2015 run.In this thesis, I will give a short overview of high-energy cosmic rays, including their detection technique and the leading experiments (Chapter 1), describe JEM-EUSO and its pathfinders including a description of each instrument (Chapter 2), present the details of the design and the fabrication of the PDM (Chapter 3) and PDM control board (Chapter 4), as well as the EUSO-TA and EUSO-Balloon integration tests (Chapter 5). I will report on the EUSO-Balloon campaign (Chapter 6) and results (Chapter 7), including a specific analysis developed to search for global variations of the ground UV emissivity, and apply a similar analysis to data collected at the site of Telescope Array (Chapter 8). Finally, I will present the implementation and testing of the first-level trigger (L1) within the FPGA of the PDM control board (Chapter 9). A short summary of the thesis will be given in Chapter 10.