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Conception d'une caméra bolométrique pour la radioastronomie millimétrique à grand champ

CRTBT. Conception d'une caméra bolométrique pour la radioastronomie millimétrique à grand champ. Soutenance de thèse de Samuel LECLERCQ Jury : . Plan de l'exposé. I. Besoins astrophysiques et spécifications instrumentales. II. Caméra bolométrique et thermomètres en NbSi.

Olivia
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Conception d'une caméra bolométrique pour la radioastronomie millimétrique à grand champ

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  1. CRTBT Conception d'une caméra bolométrique pour la radioastronomie millimétrique à grand champ Soutenance de thèse de Samuel LECLERCQ Jury :

  2. Plan de l'exposé I. Besoins astrophysiques et spécifications instrumentales. II. Caméra bolométrique et thermomètres en NbSi. III. Électronique multiplexée. Conclusion.

  3. 109 106 103 110-3 10-6 10-9 10-12 10-15 Ondes Radio Micro- ondes Infra- rouges UV Rayons X Gammas Cosmiques 10-9 10-6 0,00111000106 109 1012 1015 I.1. Intérêt des ondes millimétriques pour l'astrophysique. Longueurs d’ondes ([m]) et fréquences ([GHz]) du spectre électromagnétique  [m]  [GHz] Le rayonnement fossile Continuum d'origine thermique Rayonnement de corps noir à T = 2,725 K sur tout le ciel. Fluctuations :  Besoins : grand champ de vue, grande sensibilité

  4. I.1. Intérêt des ondes millimétriques pour l'astrophysique. L'effet Sunyaev-Zeldovich B (10-20 W/m2/Hz/sr) Corps noir à TCMB = 2,725 K Interactions : photons du rayonnement fossile et électrons du gaz ionisé intergalactique. Corps noir à TCMB déformé par l'effet SZ  (GHz) B (MJy/sr) Variation relative d'intensité  Cartographie des amas de galaxies  Besoins : grand champ de vue, grande sensibilité, plusieurs longueurs d'ondes  (GHz) 2 mm 1 mm

  5. I.1. Intérêt des ondes millimétriques pour l'astrophysique. Effet de décalage vers le rouge des spectres des galaxies distantes (GHz)  Sondage de l’univers lointain 300000 30000 3000 300 30 Distance Émission diffuse due aux poussières interstellaires (m)  Observations des régions de formation d’étoiles et des galaxies proches  Besoins : grande sensibilité, grand champ de vue, haute résolution angulaire Détecteurs atteignant les limites fondamentales et les limites instrumentales d'un grand télescope millimétrique

  6. I.2. Optique du télescope de 30 mètres de diamètre de l'IRAM. Pourquoi le 30 m ? Le plus grand télescope millimétrique du monde Télescope Cassegrain Focale effective : fe ≈ 300 m Ouverture : fe/D ≈ 10 Résolution angulaire  /D : limitée par la diffraction Champs de vues du télescope Rayons d'incidence non nulle Q Rayons d'incidence nulle Plan focal du télescope Axe de visée : 260" (0,07°) Résolution typique : 10"  530 taches de diffraction dans le champ Champ au plan focal : d = 37 cm Éléments optiques du télescope Lentille équivalente au télescope

  7. I.2. Optique du télescope de 30 mètres de diamètre de l'IRAM. Pourquoi le 30 m ? Le plus grand télescope millimétrique du monde Télescope Cassegrain Focale effective : fe ≈ 300 m Ouverture : fe/D ≈ 10 Résolution angulaire  /D : limitée par la diffraction Champs de vues du télescope Rayons d'incidence non nulle Lentille froide Q Plan image : champ ≈ 10 cm Rayons d'incidence nulle Rayons d'incidence nulle Axe de visée Axe de visée : 260" (0,07°) Résolution typique : 10"  530 taches de diffraction dans le champ Champ au plan focal : d = 37 cm Lentille de champ Lentille équivalente au télescope

  8. I.2. Optique du télescope de 30 mètres de diamètre de l'IRAM. Objectif : dimensionner l’optique de reprise pour que les aberrations soient plus petites que les taches de diffraction. Deux configurations possibles dans la cabine du télescope Vue de profil Champ A Renvoi Champ B

  9. I.3. Photométrie au télescope de 30 mètres de diamètre de l'IRAM. Calcul des puissances incidentes sur la matrice Lumière sur le détecteur : dominée par les rayonnements parasites Atmosphère : TA = 250 K Télescope et optique : TT = 280 K Rayonnement Fossile : TRF = 2,73 K Sources : Puissance sur le détecteur Ek = étendue de faisceau Sk.Wk = a l2 ej = émissivité = 1- ti ti = transmission Bj = brillance ( corps noir) Transmissions des éléments tt = 0,9 tfiltres ≈ 0,2 tlentilles = 0,95 ta : dépend de n...

  10. I.3. Photométrie au télescope de 30 mètres de diamètre de l'IRAM. Opacité de l'atmosphère tn  au zénith Transmission : ta = exp(-tn) Fluctuation d'humidité (nuages)  bruit de ciel Choix du matériau pour la lentille Polyéthylène : t(5cm) = tI(1 rI )2 = 85 % n[GHz] Transmission des filtres Limites fondamentales : bruit de photon Ondes millimétriques dans une tache de diffraction : NEPP ≈ NEPB

  11. Spécifications instrumentales pour une utilisation optimale du 30m Bilan photométrique pour 1 pixel Sensibilité de la matrice : 1 galaxie haut redshift en 1 heure Meilleurs instruments actuels : 1 galaxie haut redshift en plus de 10 heures

  12. II. Les détecteurs Bolomètres : détection d'énergie par mesure de température Adaptés au ondes millimétriques. Nécessité de refroidir (cryostat  100 mK) Caractéristiques : Sensibilité Lien thermique NEP Collecteur à antenne [Lukanen] SpiderWeb Ge [Bock] Ex : Archeops ; Planck Matrices : Réalisation collective Sensibilité pixel / taille Facteur de remplissage (Fr) Homogénéité Échantillonnage Vitesse de cartographie Cornets : avec : Fr < 40%, Sans Fr > 90%, mais ! lumière parasite MAMBO II [Kreysa]

  13. II.1. Les bolomètres Principe de fonctionnement du bolomètre idéal T Rayonnement Thermomètre : A I Absorbeur : C t Lien thermique :G Bain : Tcryo Absorbeur et thermomètre isothermes : Pél = R(T)I2  sensibilité Conductance dynamique Temps de réponse Mesure : V = R(T)I Coefficient de température Thermomètres résistifs a < 0 conduction par sauts : A = 5…15 (1M…100G) Thermomètres supraconducteurs a > 0 transition supra-normal : A = 200…1000 (1mW … 10W)

  14. II.1. Les bolomètres Bruits fondamentaux • Fluctuations thermodynamique du bolomètre • Bruit Johnson dans le thermomètre (électrons) thermiques  expressions similaires Comparables si réponse linéaire. NEPJohnson < NEPThermodyn si A >> 1  Intérêt des très basses T Bolomètre pas idéal  autres bruits (environnement, amplificateur, excès du thermomètre, etc.) Bruit total : Objectif : NEPInstrument ≤ NEPPhoton/3 Bolomètre idéal optimisé NEPJohnson ≥ 0,5 NEPInstrum Pray = 1pW ; Tcryo = 100mK NEPInstrum= 10-17 W/Hz1/2

  15. E q=Eij Ej  r Ei II.2. Intérêt du NbxSi1-x pour la thermométrie résistive Transport électrique dans les Isolants d'Anderson Transition métal-isolant Conduction par sauts à portée variable  résistivité : 1/4  n  1  Très bons thermomètres : Grande sensibilité à très basse température (A ~ 3 à 10). Si R ≈ 10 M : bien adaptée aux transistors FET. R et C ajustables pour T donnée (composition, recuit, géométrie). Films minces : bien adapté à la bolométrie.

  16. II.2. Intérêt du NbxSi1-x pour la thermométrie résistive Conduction électrique sous polarisation non nulle Optimisation du signal : Polarisation électrique P = VI Sensibilité sans dimension (A~ 3 à 10 pour les I.A.) 2 phénomènes limitent la polarisation électrique des I.A. :  ≈ 10 nm (longueur de localisation des électron) Effet de Champ électrique E  = 5 ; ge-ph ≈ 100 W/K5/cm3 (coefficient de couplage) Découplage électron-phonon Découplage supplémentaire ( substrat, absorbeur, membrane  fuite thermique) Mesures de films de NbSi (Marnieros 1997) : n = 0,65r0 = 510-4 ΩmT0 /1K = (26 - 3x/1%)2 Si x1 = 8,2% et x2 = 8,1%  à T = 100 mK : rr! Influence de la composition et du recuit, problèmes d'homogénéité des couches.

  17. II.2. Microfabrication Objectif : Réaliser une matrice de bolomètres Substrat : wafer (Si) Membranes (Si3N4) Électrodes (Nb) Pistes électriques (Au) Thermomètres NbxSi1-x Isolation (SiO2) Collecteurs : antennes (Nb) Absorbeurs : shunt (Bi) Ponts thermiques (ouvertures)

  18. II.2. Microfabrication Coévaporation de Nb et de Si avec masques mécaniques Méthode mise au point au CSNSM par L.Dumoulin et S.Marnieros Platine Évaporateur : 2 canons à électrons  Évaporation simultanée du Nb et du Si Vitesse de dépôt : vMax= 2Å/s. Régulation des quantités évaporées. Platine tournante  Homogénéisation du mélange Substrat (wafer) Masque Nb Si • Inconvénient des masques : • Conception des masques (dépôts de Ni) • Contraintes de centrage des différentes couches (plots NbSi et électrodes) •  Taille minimale des motifs à 20m. NbxSi1x Wafer Si

  19. Après tous les dépots : Au ≈ 1500 Å Ir ≈ 50 Å SiO ≈ 250 Å Ti ≈ 50 Å Nb ≈ 500 Å NbSi ≈ 1000 Å II.2. Microfabrication Lithographie en lift-off 2) insolation 1) étalement 3) révélation 4) dépôt Évaporation par effet joule 5) lift-off

  20. II.2. Microfabrication Bolomètres individuels (CSNSM) NbxSi1x x = 8,2 % e = 1000 Å l = 600 m d = 300 m Si3N4 (membrane) Bi (absorbeur) Au/Cr Au/Cr (lien thermique)

  21. 1 cm II.2. Microfabrication Matrices de thermomètres NbSi #1 à #8 (L2M puis CEETAM) 36 pixels NbSi Au 300 m 600 m Si #10 à #13 (CRTBT/CSNSM-CEETAM) 4 pixels

  22. II.3. Expériences mises en œuvre pour les tests électriques Principe de la mesure Rs RC Excitation Entrée I Charge Signal Sortie VS Vd Rp RI V VE Diviseur Inconnue Boîtier de polarisation • Montages : • Générateur de tension • Boîtier de polarisation • Matrice • Amplificateurs • Convertisseurs A/N • Acquisition (MAC) • Tests à basses température dans des cryostats : • Hélium 3 pompé (CSNSM)  300 mK • Dilution hélium 3 - hélium 4 (CRTBT)  100 mK

  23. 130 mK 145 mK 160 mK 190 mK 215 mK 230 mK 280 mK 650 mK II.4. Résultats des expériences 7 Bolomètres individuels Films NbSi : x = 8% d = 300 m; l = 600 m; e = 0,1 m R(V) pour plusieurs T R(V=0,T) Coefficients de température Le modèle de conduction par saut décrit bien les R(V=0,T) : R et A conformes aux attentes (différence entre échantillons et prévisions : inhomogénéités, recuit).

  24. II.4. Résultats des expériences Fuite thermique des bolomètres et conductances dynamiques BoloM10 dilution, plusieurs n, Gget Gm Gm Si3N4 théorique BoloM10 hélium 3 pompé Le modèle de fuite thermique décrit bien les R(V≠0,T) : Différence entre mesures sur cryostat 3He pompé, mesures sur dilution 3He-4He et conductance théorique de la membrane inexpliquées. Ordre de grandeur correct.

  25. NEPJohnson à 300 mK NEPphonon à 300 mK II.4. Résultats des expériences Estimations des bruits fondamentaux NEPphonon à 100 mK Les calculs prévisionnels correspondent aux attentes : T = 100 mK 5 < P(pW) < 10  NEPtotale ≈ 310-17 W/ optimale NEPJohnson à 100 mK

  26. II.4. Résultats des expériences Matrices #1 à #8 450 mK 550 mK  Résistances anormalement élevées et R quand V0 !!!

  27. II.4. Résultats des expériences Hypothèses concernant les anomalies de résistances observées. 1. Problèmes dans la chaîne d'acquisition de données. 2. Problème de marches au niveau des contacts entre électrodes et échantillons NbSi. 3. Problème de pollution en surface des couches entre 2 lithographies. 4. Problème de pollution du NbSi (ou autres couches ?) par la résine lors des lithographies. • Décisions : • Mesures au profilomètre • Photographies au MEB • Nouveaux échantillons 2200 Å 2500 Å Matrices #3 et #8  Problèmes de marches et de pollution semblent confirmés. Impossible de conclure.

  28. II.4. Résultats des expériences Matrices #10 à #13 180 mK 200 mK 220 mK 260 mK 205 mK 300 mK 330 mK 400 mK Matrices #11 et 13 : Électrodes Nb déposées par masque mécanique Matrice #10 : Tout en lithographie lift-off

  29. II.4. Résultats des expériences Bilan : Résistance électrique à polarisation nulle et coefficients de température Le modèle de conduction par saut décrit bien les R(V=0,T) : Grande gamme de n, T0 et R0. A conformes aux attentes. R mieux que #1 à #8, mais toujours trop grand. Électrodes par masque mécanique : plus de divergences à V0 Découplage électron-phonon Le modèle de découplage décrit bien les R(V≠0,T) : Le coefficient de découplage : ge-ph correspond exactement aux prévisions. Rq : Paramètre de puissance  non ajustable. Théorique :  = 5

  30. Signal de polarisation Résistance de polarisation Amplificateur : FET Sortie Bolomètre III.1. Étude d'une électronique multiplexée Polarisation électrique, modulation et lecture d'un bolomètre Transistors à effet de champ (FET) à 100 K idéal pour 1<R(MΩ)<100 Grille Source Drain Bruits des FET Grenaille Johnson modulation à f > fknee  bruit blanc 1/f

  31. Matrice de transistors Commutateur Matrice de bolomètres N fils en sortie N JFETs froids Capacité 1nF Polarisation en entrée Rcharge Rbolo N tensions de commutation III.1. Étude d'une électronique multiplexée Lecture d'un grand nombre de détecteurs Matrice N  M  N  M+2 fils Matrice 32  32  1026 fils Problèmes : charge thermique, câblage,N  M amplificateurs froids. Sans multiplexage Multiplexage. Solution retenue : multiplexage ligne/colonne (1 niveau) Matrice N  M  N+M+2 fils  gain de place 1 Bolomètre 10 MΩ  eJ = 7,43 nV/√Hz Matrice 32  32  66 fils  eS = 7,16 nV/√Hz Matrice 64  16  82 fils  eS = 5,06 nV/√Hz Si Igs = 50 fA :

  32. III.1. Étude d'une électronique multiplexée Différents montages réalisés. 1) Polarisation résistive Typiquement : Rbolo= 10 MΩ Cint = 1,6 nF T = 100 mK eJ,bolo= 7,4 nV/ VREF Mesure de tension : Parasites dus aux commutations : Parasites dus à la polarisation : essentiellement eJ,charge> eJ,bolo

  33. REF VREF III.1. Étude d'une électronique multiplexée 2) Polarisation capacitive Charge périodique de Cint Ajustement du courant pour chaque bolomètre indépendamment Pas de dissipation de P à Tcryo Cpol à Tcryo : minimiser les Ifuite Amélioration par bouclage de l'ampli : Mesure de Q qui équilibre le système. Pas sensible au gain. Bruit plat à haute fréquence

  34. III.2. Mise en œuvre de l'électronique Courants de fuite et tensions de commutation Courants de fuite I [nA]  Les HEMTs (transistors AsGa / AlGaAs) ont des courants de fuite de quelques pA pour T  4K. Température [K] Nouveaux transistors de commutation : HEMTs QPC Réalisés au LPN Marcoussis par Y.Jin Premiers résultats HEMT QPC : Ifuite ≈ 50 fA  multiplexage de 32 bolomètres HEMTs commerciaux actuels : Ifuite ≈ 200 fA  multiplexage de 8 bolomètres

  35. III.2. Mise en œuvre de l'électronique Partie froide (100mK) : commutateurs HEMTs et matrice de bolomètres Matrice de bolomètre Circuit imprimé des HEMTs avec capacités d'intégration CMS Partie chaude (300K) : Boîtier "MUX" fixé sur le cryostat Entrée Références Filtres DAC Suiveur Von/VOff des HEMTs Suiveurs Sortie Communication : circuit logique programmable  Bas courants et bas bruits (20nV/√Hz)

  36. III.2. Mise en œuvre de l'électronique Montage complet sur le cryostat Diabolo Tests de multiplexage à 100 mK sur résistances concluants ; amélioration de l'électronique pour minimiser les bruits. Montage des nouveaux réseaux de HEMTs (QPC) dans les semaines à venir. Tests d'absorption de bolomètres individuels NbSi à 100 mK avec corps noir encourageants : ( ≈ 80%). Mesures de bruit sur les films de NbSi (TF des V(I))  Johnson, phonon, 1/f, pop-corn : en cours.

  37. Conclusion • Instruments cosmologie et astrophysique : ~100 pixels, prochainement : > 1000 pixels. • Optique au 30m de l'IRAM : miroirs de champ, lentille froide. • Photométrie : = 1,2 / 2,1 mm, 64x64 / 35x35 pixels, ~10 pW/pixel,51017 W/Hz1/2. • Bolomètres avec thermomètres résistifs : A = 5..10, courant constant. Pél ≈ Pray. • NbxSi1-x : transition métal-isolant, conduction par sauts à portée variable, effet de champ électrique, découplage électron-phonon. • Microfabrication de couches minces : masques mécaniques - lithographie lift-off. • Tests des films à T ≈ 100 mK.bolomètres individuels : R≈ 10 MΩ, A ≈ 4, NEP ≈ 31017 W/Hz1/2 avecP ≈ 10 pW OK ; matrices : échec du tout lift-off, avec électrodes Nb par masques : R≈ 100 MΩ, A ≈ 4, ge-ph ≈ 100 W/K5/cm3 Trop impédant. • Multiplexage temporel : HEMTs. Grenaille N1/2eg < Johnson du bolomètre : 7,4 nV/Hz1/2. • Amplification : JFETs à 100 K., bruit blanc N1/2eg , eg = 3 nV /Hz1/2.

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