Tests d’un détecteur infrarouge pour le spectrographe du satellite SNAP/JDEM

1. Tests d’un détecteur infrarouge pour le spectrographe du satellite SNAP/JDEM Pierre-élie CROUZET Directeur de thèse : Anne EALET Avec Cédric CERNA, Eric Priéto

2. Plan • L’énergie noire • Le spectrographe de SNAP • Les détecteurs infrarouge (IR) H2RG • Le détecteur IR H2RG#40 • Etude du mode de lecture et de la rejection des cosmiques Pierre-élie CROUZET

3. 1.L’énergie noire • 1998 : observations de Supernovae  expansion accélérée de l’Univers due à l’Énergie noire . On ne connaît pas la nature physique de cette énergie ! Pierre-élie CROUZET

4. 1.SNAP (SuperNova Acceleration Probe) • Déterminer lanature de l’Énergie noire par l’observations de supernovae (SN) et de mesure de cisaillement gravitationnel. • SN lointaines  • Peu de flux : télescope de 2m • Décalage en longueur d’onde (z=1.7) : domaine infrarouge (IR) spatial • Courbes de lumières des SN • Imageur visible et IR • Caractérisations des SN lointaines  • Spectrographe basse résolution  • Spectre de la galaxie et de la SN  Spectrographe à intégrale de champ Pierre-élie CROUZET

5. Pupil & slit mirror Prism Slicer Collimator Detector Entrance point Camera 2.Le spectrographe de SNAP • Identification et classification des SN • Peu de flux  basse résolution R=100 • Spectre de la SN et de la galaxie  Slicer • Calibration spectro-photométrique au 1% Compact et léger (20x30x10 cm) Permet de prendre une SN et la galaxie hôte en même temps Pierre-élie CROUZET

6. 3. Spécifications du détecteur pour le spectrographe de SNAP Les spécifications de sciences sont dérivées sur le détecteur : Pierre-élie CROUZET

7. HgCdTe 3. Détecteur infrarouge H2RG : géométrie HgCdTe bump bonded sur un CMOS : détecteur hybride

8. Vreset MUX Unit cell Vout gate Cell Drain Connection en indium detector Dsub 3. Détecteur infrarouge H2RG : fonctionnement • Détecteur dernière génération • Un MOSFET “source follower” • Le multiplexeur adresse et lit individuellement chacun des pixels avec un mode de lecture non destructif • Plusieurs modes d’acquisition possibles Pierre-élie CROUZET

9. 3. Spectrographe et détecteur IR • But : calibration spectro-photométrique du spectrographe au pour 1% • Contrôler les performances optiques  connaitre les caractéristiques du détecteur IR Pierre-élie CROUZET

10. 4.Le détecteur IR H2RG#40 • Calibration du détecteur • Gain de conversion • Réponse intra-pixel • Le détecteur IR H2RG#40 dans un prototype de spectrographe Détecteur prototype calibré aux U.S.A et reçu en France Pierre-élie CROUZET

11. Gain sans IPC 2,97 e/adu Gain avec IPC 1,89 e /adu 4.Le détecteur IR H2RG#40 : gain de conversion • Facteur qui relie les e- reçus aux ADU de l’électronique. • Basé sur une statistique de Poisson • Correction avec la capacité inter-pixel (IPC). • Analyse des données prises en Février 2007 à l’Université de Michigan Pierre-élie CROUZET

12. Schéma optique de l’appareil de mesure des réponses intra-pixel Coupe de la réponse intra pixel moyenne Exemple de réponse intra pixel d’un pixel à 1300nm Moyenne sur tous les pixels Données prisent à l’Université de Michigan, Ann Arbor (USA) 4.Le détecteur IR H2RG#40 : réponse intra-pixel • Le spectrographe de SNAP est sous échantillonné  fente du spectro est imagée sur 1 pixel  connaître la réponse intra-pixel du détecteur

13. 4.Le détecteur H2RG#40 dans la campagne infrarouge du démonstrateur • Accord U.S.A France : reçu en mars 2007 • Développement d’un logiciel d’acquisition des images (octobre 2007) • Intégration du détecteur et de son électronique dans le démonstrateur et le cryostat (novembre 2007) • Prise de données ~7000 images (novembre-décembre 2007) • Réduction de données dans le démonstrateur (mars- juillet 2008) Pierre-élie CROUZET

14. Le démonstrateur But : Reproduire exactement le concept optique du spectrographe de SNAP pour valider les performances optiques. • Aligné au CPPM mécaniquement à 10µm près • Campagne visible et infrarouge achevée Pierre-élie CROUZET

15. Envoie des commandes et retour des status de chacun des élements : • Détecteur H2RG#40 • Steering mirror • Photodiode • Monochromateur • Slow contrôle monochromator Campagne infrarouge : DAQ LabView du démonstrateur Pierre-élie CROUZET

16. Cryostat Cartes électroniques Alimentation triple stabilisée Campagne infrarouge : intégration de l’électronique de lecture… • Électronique de lecture développée (pour OPERA) à l’IPNL • Cartes analogique faible bruit (4 e- seule) et digital (transmission de données) • Intégrée au plus près du détecteur Pierre-élie CROUZET

17. Campagne infrarouge : … et du détecteur • Environnement E.S.D (antistatique), • Salle blanche Pierre-élie CROUZET

18. Campagne infrarouge : prise de données • Cuve de 0.6m3 • 110k<T<140k • ~7000 images : novembre-décembre 2007 • Acquisition automatisée grâce au DAQ Pierre-élie CROUZET

19. Réduction de données d’un pixel dans le démonstrateur • Mode d’acquisition dans le démonstrateur • Evaluation du signal • Pixels de référence • Hot pixels • Carte d’efficacité quantique • Gain de conversion • Evaluation de l’incertitude associée au signal Pierre-élie CROUZET

20. Mode d’acquisition : Fowler lecture non destructive du détecteur  accumulation des charges Fowler(6) 1 burst de 6 frames Intérêt : Fowler (N) réduit le bruit d’un facteur ~1/sqrt(N) Schubnell et al. NIR infrared detectors for SNAP (2006) Pierre-élie CROUZET

21. Réduction de données d’un pixel dans un Fowler • Etapes : • Correction des dérives des tensions d’alimentation • Création d’une seule image à partir d’un Fowler(N) • Conversion ADUe- • Application des cartes d’efficacité quantique Pierre-élie CROUZET

22. 1 : Pixel de référence • non sensible au flux incident • Nécessaire pour corriger les éventuels dérives dans les tensions d’alimentation. • À soustraire à chaque pixel de signal soustraction Pierre-élie CROUZET

23. M2=Moyenne burst 2 M1=Moyenne burst 1 2-3 : Création d’une seule image à partir d’un Fowler(N) 2 burst de N frames D=M2-M1 1 seule image Pierre-élie CROUZET

24. 5-6 : Gain de conversion,efficacité quantique • Conversion ADUe- • gain : 1.89 e-/ADU • QE • Cartes établie par l’Université de Michigan sur le H2RG#40 http://gargamel.physics.lsa.umich.edu/ • De 900nm à 1700nm • Bonne carte ou carte interpolée pour chaque longueur d’onde G=1.89 e-/ADU À 1100nm Pierre-élie CROUZET

25. Traitement des incertitudes Pour chaque pixel l’incertitude associée au signal I est : Incertitude sur l’accroissement entre chaque frame d’un même burst Incertitude sur le pixel de réference Terme Poissonnien inter-burst Pierre-élie CROUZET

26. Traitement des incertitudes Rapport S/N sur le pixel maximum pour une PSF située au centre du slicer PSF : image d’une source ponctuelle monochromatique Pixel de flux maximum Pierre-élie CROUZET

27. Démonstrateur : résultats • Calibration en longueur d’onde : • Reconstruction de la position de la PSF en fonction de la longueur d’onde Courbes de dispersion Calibration au nanomètre dans l’ IR Réf : M-H. Aumeunier A. Ealet,E. Prieto, C.Cerna, P-E. Crouzet arXiv:0811.3442 • Calibration en flux : en cours Pierre-élie CROUZET

28. 5.Etude du mode de lecture et de la rejection des cosmiques • Bruit et mode de lecture du spectrographe en vol • Traitement d’un pixel du détecteur Pierre-élie CROUZET

29. 1.Bruit et mode de lecture • Le mode Fowler(N) permet de réduire le bruit d’un facteur 1/sqrt(N) Schubnell et al. NIR infrared detectors for SNAP (2006) Pierre-élie CROUZET

30. Requirements requirements 1.Bruit et mode de lecture • Spécification de bruit atteintes à 110K pour le H2RG, avec un Fowler 200-500 et 3000s de temps d’exposition • 1 pose de T=3000s • ou • 3 poses de T=1000s • Bruit de lecture dominant • Long temps de pose : • faible bruit • mais • pixels touchés par des rayons cosmiques! Pierre-élie CROUZET Smith et al. Noise and zero point drift in 1.7um cutoff detectors for SNAP (2006)

31. Cosmiques! 44% des pixels touchés Taux : 5 hit/s/cm2 Pierre-élie CROUZET simulation

32. 2.Réduction d’un pixel avec soustraction de cosmiques • Mode de lecture du spectrographe et rejection des cosmiques • Reconstruction des pentes (flux) Pierre-élie CROUZET

33. signal cosmique Le mode de lecture up the ramp permet de détecter les hit de cosmiques Cosmiques : mode de lecture • Mode de lecture : up the ramp • Lecture continue du détecteur Pierre-élie CROUZET

34. Cosmiques : reconstruction des pentes • Ajustement linéaire de chaque pente locale par minimisation de Khi2 avec un set de poids optimisé en fonction du S/N (Fixen et al, NICMOS) • Reconstruction de la pente par combinaison des pentes locales Pierre-élie CROUZET

35. Status et perspectives : • Algorithme de rejection : ok • Reconstruction des pentes : en cours • Test sur des données réelles à Caltech (janvier 2009)

36. Conclusion • Satellite SNAP • dédié à la découverte de la nature de l’énergie noire doté d’un imageur et d’un spectrographe fonctionnant dans l’IR • Détecteur IR du spectrographe, bas bruit, nouvelle génération • Dans le démonstrateur • Réduction des données en mode Fowler (calibration en longueur d’onde arXiv:0811.3442) • Dans le spectrographe embarqué • Choix du détecteur optimal • Optimisation des modes de lecture • Soustraction de cosmiques dans les longs temps de pose • Analyse de données avec de long temps de pose janvier 2009 Pierre-élie CROUZET

37. SPARE Pierre-élie CROUZET

38. Après avoir réduit un pixel, Traitement de l’incertitude d’un pixel on passe au calcul de son incertitude : Pierre-élie CROUZET

39. Exemple : • étape 1 : mean~0 ; rms~100 • seuil 1 ~ 400 • étape 2 : 1 cosmique détecté • étape 3 : mean~0 ; rms~20 • seuil 2 ~ 80 • étape 4 : 1 cosmique détecté • étape 5 : mean~0 ; rms~4 • seuil 3 ~ 16 • plus de cosmique Distribution des pentes locales Di cosmics Cosmiques : Algorithme de détection S(e-) . . . • Distrib pentes locales. : moyenne et rms • seuil = moyenne + 4 x rms • Detection et rejection • quand pente locale>seuil cosmiques . . . . . . . Jusqu’a ce que plus aucun cosmic ne soit détecté frame nb Pierre-élie CROUZET

40. Capacité inter-pixel (IPC) • Sous estimation de la variance à cause de la capacité inter pixel donc sur estimation du gain de conversion. • Nouvelle estimation de la variance (Moore and all) : l k D[k,l]

41. Verification : saturation, linéarité • Saturation • Temps d’exposition optimal pour ne pas saturer et récolter le max. de photon aucun pixel n’a atteint la saturation de 65535adu • Linéarité • Pour les long temps d’exposition (3,4 ou 5 bursts), le dernier burst peut saturer  le dernier burst non saturé sera utilisé pour calculer le signal • Verification de linéarité : fit par une droite de chaque moyenne de chaque burst et calcul du coefficient de régression linéaire R • R>0.9 sur tout les fit Non saturation et linéarité observées sur tout les pixels Pierre-élie CROUZET

42. 4 : Hot pixels • But : enlever les pixels plus brillants que la PSF sur chaque image • Hot pixels constants au cours du temps carte unique de hot pixel • Carte établie une fois pour toute à partir d’un Fowler (6) : 12 frames Pierre-élie CROUZET

43. Mode d’acquisition et exemple Mode d’acquisition : Fowler zoom lecture non destructive du détecteur  accumulation des charges PSF @ 1600nm 1 burst de 6 frames Dernière frame brut Pierre-élie CROUZET

44. Cosmic : efficiency 100% d’efficacité! efficiency Pierre-élie CROUZET

45. Coupure à 4*σ = 22 e- Cosmic : efficiency Pierre-élie CROUZET

46. Cosmic : efficiency Coupure à 4*σ = 34 e- Pierre-élie CROUZET

47. Pierre-élie CROUZET