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.

La première partie de cette thèse est centrée sur la mission ECLAIRs, dédiée à l'étude de l'émission prompte multi-longueurs d'onde des sursauts γ. Les performances de la caméra X/γ d'imagerie grand champ d'ECLAIRs sont estimées par des simulations Monte-Carlo. La sensibilité de détection des sursauts γ dépend principalement du bruit de fond sur la caméra. En prenant en compte les principales composantes de l'environnement spatial (le fond diffus X extra-galactique, les protons du rayonnement cosmique et atmosphériques, les neutrons atmosphériques, et les photons X-γ de l'albédo terrestre) pour une orbite d'ECLAIRs à 600 km d'altitude et à 20o d'inclinaison, le bruit de fond dans la bande d'imagerie de 4 à 50 keV est estimé à 7,1 coups cm-2 s-1. La sensibilité limite pour un seuil de détection de 5,5 σ de fluctuations du bruit de fond est estimée à 530 milli-Crabe sur une seconde d'intégration dans la bande d'énergie de 4 à 50 keV. Compte tenu des niveaux de bruit de fond, le taux de sursauts γ détectables par an, dans la bande 4-300 keV, est estimé entre 50 et 90 sursauts γ suivant la dureté du sursaut. Pour un échantillon d'une centaine de sursauts détectés, 47% seront localisés à mieux que 10' et 61% à mieux 20' pour un temps d'intégration de 1,024 secondes. Par ailleurs, avec un champ de vue de 105o x 105o et une sensibilité limite de 10 milli-Crabe sur 10 h d'intégration dans la bande 20-200 keV et 3 milli-Crabe dans la bande 4-10 keV, la caméra X-γ fera également un balayage de la sphère céleste, à la recherche de noyaux actifs de galaxies (NAG), de novae X, et de Soft Gamma Repeaters.<br /><br />Dans la seconde partie de cette thèse, nous nous intéressons à l'apport du code de photo-ionisation, Titan, dans l'interprétation des spectres de haute résolution des NAG, obtenus en X avec les satellites XMM-Newton et Chandra. Nous montrons que les formalismes approchés utilisés pour résoudre le transfert radiatif induisent des interprétations imprécises des spectres des NAG en X, car les flux de raies calculées (notamment les raies de résonance) sont systématiquement surestimés par 30% pour des milieux avec une densité de colonne totale CD < 1021 cm-2 à un ordre de grandeur pour des milieux avec CD > 1024 cm-2. A partir d'une étude théorique du triplet de raies des ions héliumoïdes, nous mettons également en évidence un jeu de diagnostics spectroscopiques. Ces diagnostics permettent de déterminer la densité, la densité de colonne totale et le paramètre d'ionisation des milieux photo-ionisés observés, à partir de la mesure des flux de raies et de la température des continus de recombinaison radiative.

L'imagerie gamma est une technique qui permet la localisation spatiale de sources radioactives. Les différentes applications de cette technique couvrent les phases de démantèlement des installations nucléaires ou de gestion des déchets nucléaires, mais aussi la radioprotection ou la sécurité intérieure. L'utilisation de caméras gamma permet de réduire la dose reçue par les opérateurs, et, par conséquent, de respecter le principe ALARA. Il existe deux techniques d’imagerie permettant la localisation de radioéléments émetteurs gamma : l’imagerie à masque codé et l’imagerie Compton. L’imagerie à masque codé utilise la modulation spatiale du flux de photons gamma incidents par collimateur multi-trous placé entre la source et le détecteur. Elle présente l’avantage d’être extrêmement performante pour des émetteurs gamma « basses énergies », aussi bien en matière de sensibilité, qu’en matière de résolution angulaire. L'imagerie Compton, quant à elle, repose sur l’utilisation de la mécanique de diffusion Compton. L'énergie déposée pendant le processus de diffusion déterminera l'angle de diffusion, et les positions des interactions détermineront la direction des rayons gamma entrants. La position de la source radioactive peut ainsi être limitée à un cône. Si plusieurs cônes sont utilisés, alors la position où le plus grand nombre de cônes se chevauchent correspond à la position de la source radioactive. Une des limitations de cette technique concerne la localisation des émetteurs gamma « basses énergies », pour lesquels la résolution angulaire est fortement dégradée allant jusqu’à l’impossibilité complète de trouver la position. L’objectif de ces travaux est de développer un prototype d’imageur hybride associant les techniques d’imagerie à masque codé et d’imagerie Compton, afin de tirer profit des avantages de chacun des types d’imagerie. Les différents travaux menés, autour du détecteur pixellisé Timepix3, mais aussi en matière de développement d’algorithmes mathématiques, ont permis de proposer deux prototypes d’imageurs hybrides. Les résultats obtenus à l’issue de ces travaux de recherche ont permis de valider expérimentalement les performances d’un des prototypes d’imageurs et d’illustrer l’intérêt d’un système hybride. / Gamma imaging is a technique that allows the spatial localization of radioactive sources. The various applications of this technique cover decommissioning phases of nuclear facilities, nuclear waste management applications, but also radiation protection or Homeland Security. Using gamma camera reduces the dose received by operators and consequently contributes to the respect of the ALARA principle. There are two imaging techniques for the localization of gamma ray emitters: coded aperture imaging and Compton imaging. Coded aperture imaging relies on the spatial modulation of the incident gamma-ray flux by a multi-hole collimator placed between the detector and the radioactive source. It has the advantage of being extremely efficient for « low energy » gamma-ray emitters in terms of sensitivity and angular resolution. On the other hand, Compton imaging is based of the Compton scattering kinematic. The energy deposited during the scattering process will determine the scattering angle, and the positions of the interactions will determine the direction of the incoming gamma-ray. The position of the radioactive source can thus be limited to a cone. If several cones are used, then, the position where the greatest number of cones overlap corresponds to the position of the radioactive source. One limitations of this technique concerns the location of « low energy » gamma-ray emitters, for which the angular resolution is strongly degraded until it is completely not localizable. The objective of this work is to develop a prototype of hybrid imager that combines coded aperture and Compton imaging techniques in order to take advantage of each type of imaging. The different studies carried out, around the Timepix3 pixel detector, but also in the development of mathematical algorithms, have led to propose two prototypes of hybrid imager. The results obtained from this research work made it possible to validate experimentally the performance of one of the imager prototypes, and to illustrate the interest of a hybrid system.