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Contribution de APC au développement de matrices de bolomètres

Contribution de APC au développement de matrices de bolomètres. Bolomètre IR / (bolomètre impulsionnel) Michel PIAT PCC-APC. Bolomètre. Meilleur détecteur large bande dans la gamme 200µm-3mm Détecteur thermique Mesure de l’échauffement résultant de l’absorption du rayonnement

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Presentation Transcript

  1. Contribution de APC au développement de matrices de bolomètres Bolomètre IR / (bolomètre impulsionnel) Michel PIAT PCC-APC Conseil APC - 1 mars 2004

  2. Bolomètre • Meilleur détecteur large bande dans la gamme 200µm-3mm • Détecteur thermique • Mesure de l’échauffement résultant de l’absorption du rayonnement • Thermomètre = élément résistif Conseil APC - 1 mars 2004

  3. Thermomètre • Caractérisation: • Semi-conducteur: A # -5-10 • Si implanté (solution CEA/LETI) • Ge NTD (Haller-Beeman) • Couches minces NbSi (CSNSM) • Supraconducteur: A#100-1000 • Ti • Tc≈400mK • Mo/Cu, Mo/Au… • Variation de Tc: effet de proximité Ti 1.5mmX1.5mmX40nm A=1000 Conseil APC - 1 mars 2004

  4. Contre-réaction électrothermique • Si A<0: thermomètres semi-conducteur • Polarisation en courant: T  R  PJ=RI2   T • Si A>0: thermomètres supraconducteur • Polarisation en tension: T  R  PJ=V2/R  T • Effet d’autant plus intéressant que A est grand: Bolomètres supraconducteur • Diminution de la constante de temps • Réponse donnée uniquement par la tension de polarisation: étalonnage facilité et excellente linéarité • Réponse indépendante de la puissance de background Conseil APC - 1 mars 2004

  5. POLARISATION Rpol>>Rb SIGNAL Rb AMPLIFICATEUR Electronique de lecture • Bolomètre semiconducteur: • Rb # MΩ • Adaptation d’impédance: JFET froid en suiveur • Bolomètre supraconducteur: • Rb # 100mΩ • SQUID: Superconducting QUantum Interference Device Conseil APC - 1 mars 2004

  6. ~2 L2 thermistor L1 thermistor Dual Analyzer (PSBs) L’état de l’art actuel: les spiderwebs • Bolomètre « Spiderweb » (Caltech-JPL) • Absorbeur en toile d’araignée (Si3N4) • e~1µm, l~5µm, maille~100µm • Métalisation Au • Thermomètre Ge NTD • Polarisation Sensitive Bolometer (PSB) • 2 bolomètres dans 1 module • Métallisation dans une direction Détecteurs Planck-HFI Conseil APC - 1 mars 2004

  7. Performances obtenues avec les spiderwebs Bruit de photon dans les canaux Planck-HFI • à 300mK • NEP = 1,5.10-17 W/Hz1/2 •  = 11ms • C = 1pJ/K • à 100mK: • NEP = 1,5.10-18 W/Hz1/2 • = 1,5ms • C = 0,4pJ/K Détecteurs limités par le bruit de photon!!! Amélioration sensibilité  augmentation du nombre de détecteurs: Matrice de bolomètres Conseil APC - 1 mars 2004

  8. Perspectives: bolomètres à antennes • Antenne plane pour capter l’onde EM incidente • Directement sensible à la polarisation • Lignes à ruban • Sélection de la bande passante par filtrage électronique • Énergie dissipée dans une résistance sur un bolomètre • Taille beaucoup plus petite • Antenne et lignes à ruban en supraconducteur • Nb: max 600GHz Berkeley Caltech/JPL Conseil APC - 1 mars 2004

  9. Contraintes de réalisation de matrices de bolomètres • Critères recherchés: • Sensibilité (limitée par le bruit de photon) • Homogénéité • Taille de la matrice et des pixels (de 103 à 104 pixels) • Facteur de remplissage proche de 100% • Couplage optique le meilleurs possible • en particulier au niveau de la polarisation • Contraintes: • Cryogénie • Puissance disponible limitée… multiplexage requis! • Électronique de lecture • Multiplexage requiert un faible niveau de bruit de lecture • Proximité de l’électronique aux détecteurs Conseil APC - 1 mars 2004

  10. Les techniques a maîtriser • Procédé de fabrication collectif • Techniques issues de la Microélectronique • Techniques équivalentes pour le thermomètre • Multiplexage • Nécessaire au delà d’une centaine de pixels • Difficile avec les bolomètres semi-conducteur • Composants fonctionnant à T>100K (FET)… • …ou très bruyants aux BF (CMOS) • Plus « aisé » avec les bolomètres supraconducteur • Les SQUIDs fonctionnent (uniquement) aux très basses températures Conseil APC - 1 mars 2004

  11. Avantage aux bolomètres supraconducteur • Au niveau de la matrice: • Aucune intervention manuelle pour sa réalisation • Possibilité de dépôts de la couche supra sur l’ensemble de la matrice en une seule fois • Matrice homogène • Caractéristiques de chaque pixel indépendantes de la puissance de background • Constante de temps rapide • Responsivité donnée par la tension de polarisation • Au niveau de l’électronique de lecture: • SQUIDs • Premier étage d’amplification directement à coté des détecteurs • Niveau de bruit très faible • Multiplexage en temps ou en fréquence Conseil APC - 1 mars 2004

  12. Conclusion préliminaire • Les bolomètres supra sont les meilleurs candidats pour la réalisation de matrice de grandes dimensions • Concurrence internationale importante… • Dernier LTD10 (Gènes, 2003) • Bolomètre supraconducteur: 28 présentations • Matrices de micro détecteurs (IR et X): 30 présentations • …cependant, aucune observation astronomique avec bolomètre supraconducteur depuis 2001! • Illustre la difficulté de réalisation de tel détecteur • Collaboration entre plusieurs laboratoires nécessaire! • R&D nationale • Grenoble (CRTBT, LPSC), Toulouse (CESR), Orsay (IAS, IEF,CSNSM), Paris (APC) Conseil APC - 1 mars 2004

  13. La collaboration française • Grenoble (CRTBT, LPSC), Toulouse (CESR), Orsay (IAS, IEF,CSNSM), Paris (APC) • Répartition des actions: • Architecture bolométrique (CRTBT-CSNSM-IEF) • Réalisation d’un schéma de multiplexage pour bolomètres semiconducteur (CRTBT) • Test de matériaux supraconducteur (IAS-APC) • Premières analyses d’antennes (CRTBT-LPSC) Conseil APC - 1 mars 2004

  14. APC et la R&D matrices de bolomètres • Lien direct avec les thèmes scientifiques de APC • En particulier, polarisation du CMB • Électronique de lecture à SQUID • Amplificateur à SQUID • Multiplexage • Couplage du rayonnement avec le détecteur (avec le LISIF-P6) • Antenne • Ligne a micro-ruban • Filtrage, traitement de l’information électronique jusqu’au THz Conseil APC - 1 mars 2004

  15. Un programme soutenu par les instances • CNES • 90k€ en 2003 pour la collaboration nationale • IN2P3 • 25k€+ en 2004 pour le labo APC • Programme Astroparticules (CID 47) • Une des priorités de la R&D • Demande en préparation • INSU • Soutien de la CSA pour 2004 • ACI jeune chercheur • En collaboration avec le LISIF Conseil APC - 1 mars 2004

  16. Estimation des besoins humains à l’APC • Électronicien analogicien 0,3 FTE/an • Amplificateur à SQUID • Informaticien/électronicien 0,3 FTE/an • Acquisition de données, multiplexage • Projeteur (soutient) 0,2 FTE/an • Mécanique • IR instrumentation 0,5 FTE/an • Tests • Un thésard en collaboration avec le LISIF • Antenne et traitement de l’info électronique Conseil APC - 1 mars 2004

  17. Tentative d’agenda • Tests du SQUID commercial mars 2004 • Électronique à SQUID fin 2004 • Définition du multiplexage début 2005 • Réalisation de matrice de SQUID fin 2005 • Réalisation et tests d’un premier multiplexage (sur quelques détecteurs) fin 2005 • Réalisation et tests du multiplexage sur une matrice de quelques 100 détecteurs fin 2006 Conseil APC - 1 mars 2004

  18. Température : ~100µK RMS Spectre de puissance Mode E : ~4µK RMS Mode B : <300nK RMS Et bientôt… Conseil APC - 1 mars 2004

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