CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS10 11 20061 Le photomètre PACS Le fruit d’une collaboration nationale et internationale.

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1 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS10 11 20061 Le photomètre PACS Le fruit d’une collaboration nationale et internationale

2 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS10 11 20062 La Mission HERSCHEL et ses instruments (1) Observatoire dans les domaines de l’infrarouge lointain et submillimétrique - c’est une des « Pierres angulaires » de l’ESA (après SOHO, XMM, ROSETTA) Objectifs : –Comprendre les premiers stades de la formation stellaire (nuages moléculaires) –Observer les galaxies à l’époque de leur formation (cartographie de la voûte céleste) A bord : 3 instruments –HIFI : spectromètre hétérodyne (SRON-NL) –PACS : Spectromètre et Photomètre 57-205 µm (MPE-D) –SPIRE : Spectromètre et Photomètre - 200-607 µm (U. Cardif-UK) Le CEA et en particulier le DAPNIA a collaboré au développement de 2 instruments : PACS et SPIRE Lancement prévu en mai 2008 par une Ariane 5 pour une durée de vie de 3 ans après un parcours de 1,5 millions de kilomètres (4 à 6 mois) pour rejoindre son orbite autour du point de Lagrange L2

3 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS10 11 20063 La Mission HERSCHEL et ses instruments (2) Miroirs primaire (3,5 m) Et secondaire Miroirs primaire (3,5 m) Et secondaire Charge utile Plateforme Cryostat hélium Plans de détection Électronique « chaude »

4 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS10 11 20064 La Mission HERSCHEL Un contexte industriel et scientifique international (sous le contrôle de l’ESA - maître d’ouvrage) : Consortium PACS MPE Consortium PACS MPE * ** * : Pay Load Module - Charge utile (cryostat & détecteurs) ** : Service Module - Plateforme (boîtiers électroniques) *** : Assembly Integration & Test *** « SCIENCE » « INDUSTRIE »

5 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS10 11 20065 L’instrument PACS PACS : « Photodetector Array Camera & Spectrometer » Les Laboratoires impliqués constituent un «consortium» : MPE-Garching : responsable de l’instrument CSL-Liège : contrôle du spectromètre, … IFSI-Frascati : contrôle de l’instrument IAC-Tenerife : traitement scientifique Et bien d’autres encore … (16 au total) Au sein de ce consortium le SAp est responsable de la livraison du photomètre : –Le plan de détection (détecteurs dans une structure mécanique) –Le cryo-générateur et le thermométrie associée –L’électronique de gestion de l’ensemble

6 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS10 11 20066 Le Photomètre de PACS : ses phases de développement “Plan de dév.” et time line - phases A, ….

7 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS10 11 20067 Le Photomètre de PACS : une collaboration multiple Photomètre PACS DAPNIA/SAp Photomètre PACS DAPNIA/SAp Simulateur DAPNIA/SIS Simulateur DAPNIA/SIS Détecteur Bolomètre LETI Détecteur Bolomètre LETI Cryo - générateur SBT Cryo - générateur SBT Équip t livrable Équip t livrable Caractérisation du pilotage du cryo - générateur DAPNIA/SEDI Caractérisation du pilotage du cryo - générateur DAPNIA/SEDI Validation IP SpaceWire CSL- Liège Validation IP SpaceWire CSL- Liège CAO Électronique DAPNIA/SEDI /SAp CAO Électronique DAPNIA/SEDI /SAp Étude conjointe Étude conjointe Instrument PACS MPE - Garching Instrument PACS MPE - Garching Spéc. & livrable Spéc. & livrable

8 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS10 11 20068 L’architecture électrique (très schématisée) de l’instrument PACS Les fournitures du CEA sont : –PhFPU : système comprenant le plan de détection, le cryo-générateur et la thermométrie associée –BOLC : boîtier comprenant l’électronique de gestion des éléments du PhFPU –sans oublier le SimFPU : simulateur de PhFPU Un peu d’électronique … Unité de contrôle de l’instrument Unité de traitement scientifique Unité de contrôle du photomètre Plateforme HERSCHEL Plateforme HERSCHEL Détecteurs du photomètre et cryo-générateur Détecteurs du photomètre et cryo-générateur Détecteurs du spectromètre et mécanismes Unité de contrôle du spectromètre & mécanismes

9 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS10 11 20069 Définition du système : une collaboration DAPNIA et MPE C’est la 1 ière étape fondamentale du développement de l’instrument L’objectif est de spécifier l’instrument sous forme de critères techniques à partir : –des besoins scientifiques –des contraintes de la plateforme et de l’environnement spatial –des contraintes de sûreté de fonctionnement –des contraintes technologiques Permet d’initier les activités d’études de l’instrument Permet de spécifier les besoins envers la plateforme sous forme de « budgets » –Exemple : Masse / consommation / volume doivent être estimés (en considérant des marges) très tôt avant même le commencement des études de détails Collaboration étroite avec le « consortium » et principalement le MPE, responsable de l’instrument La difficulté dans le cas de l’instrument PACS a été le choix tardif des partenaires industriels en charge de la plateforme : –Longue période sans rebouclage et finalisation des interfaces tardive

10 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS10 11 200610 Le détecteur bolométrique : une collaboration LETI et DAPNIA (1) Le détecteur comprend : à 300 mK : –une matrice 16 par 16 de bolomètres –un étage de commutation (multiplexage, référence, …) –hybridation par billes d’indium à 2 K : –un étage d’amplification Étude et développement au LETI Technologie initialement développée pour l’instrument ISO Mise en œuvre à 300 mK par le SAp / LDS –Ajustement des paramètres fonctionnels : polarisation, séquence de lecture, … –Mesures des performances : « sensibilité », bruit, bande passante –Tests d’évaluation En environnement radiatif Vieillissement - cyclage en température

11 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS10 11 200611 Le détecteur bolométrique : une collaboration LETI et DAPNIA (2) Contrainte sur la chaîne fonctionnelle du détecteur : –Répartition des fonctions pour : Minimiser la dissipation thermique à froid ( ≤ 10 µW à 300 mK) Garantir les performances malgré les longueurs de harnais importantes Complet le photomètre c’est : –10 matrices de bolomètres (avec l’électronique froide) - optimisées pour 2 longueurs d’onde (60-130 µm et 130-210 µm) - soit :  160 voies de mesures  95 polarisations ajustables Électronique « froide » Électronique « chaude » (BOLC) GΩs MΩs kΩs 5 mm 5 cm 5 m

12 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS10 11 200612 Le détecteur bolométrique : une collaboration LETI et DAPNIA (3)

13 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS10 11 200613 La chaîne cryogénique : une collaboration SBT + DAPNIA Utilisation des matrices de bolomètres à une température inférieure à 300 mK pour atteindre les performances voulues Un cryo-générateur (adsorption He 3 -He 4 ) permet d’obtenir cette température à partir des 2K du cryostat à hélium Étudié et développé par le Service des Basses Températures (initialement sous contrat avec l’ESA) Équipement commun aux instruments PACS et SPIRE Étude conjointe SAp et SBT de la chaîne de thermométrique dite « 300 mK » –Précision de mesure : jusqu’à 10 µK –Dissipation de la sonde : inférieur à 3 nW –Absence de couplage avec le détecteur Concept exploité par le SBT pour la réalisation d’un produit industriel Étude conjointe SAp et SEDI (aussi impliqué dans le développement de l’électronique de l’instrument SPIRE) de l’électronique de pilotage du cryo-générateur

14 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS10 11 200614 L’IP SpaceWire : une collaboration CSL et DAPNIA Protocole d’interface haute performance (jusqu’à 400 Mbits/s) spécifiée par l’Agence Spatiale Européenne sur la base de la norme IEEE-1355 En 2000 le protocole était accessible uniquement sous la forme d’un ASIC –pas de seconde source (approche risquée) –implémentation limitée à la norme IEEE-1355 –1 ière version : pas totalement « debuggée » –interface orienté microprocesseur L’IP (« Intellectual Property ») a été développée par le SAp/LEDES sous la forme d’une description en langage VHDL Après implémentation dans un FPGA, l’IP a été transmisse au Centre Spatial de Liège pour validation : –couplage avec l’ASIC disponible (en tant que référence) –quelques ajustements ont été nécessaires depuis Le standard SpaceWire s’impose progressivement dans le spatial –Reprise de l’IP sur les projets à venir (SIMBOL-X par exemple) : intégration à l’architecture LEON (IP SPARC) en cours et développement d’une carte PCI pour les équipements de tests

15 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS10 11 200615 Quelques images : Les détecteurs et le cryo-générateur Cryo-générateur Détecteur bleu Détecteur rouge Connecteurs & filtres RF Connecteurs & filtres RF BOLC Convertisseurs DC/DC Voies analogiques (x160) Voies analogiques (x160) Polarisation & Horloges Polarisation & Horloges Interface vers PACS Interface vers PACS P = 47 W total soit 0,1 W / voie Masse = 15 kg Volume = 30 l P = 47 W total soit 0,1 W / voie Masse = 15 kg Volume = 30 l

16 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS10 11 200616 Les équipements de test : Tout au long du développement de l’instrument ces équipements ont un rôle important afin de minimiser les rendez-vous entre les sous-systèmes Ils permettent de mettre en œuvre un sous ensemble de l’instrument de façon autonome : –simulateur d’interface avec le reste de l’instrument PACS - LTU –simulateur de détecteur : dérouler des tests sans mis en œuvre de moyens cryogéniques - simulateur de FPU Ils doivent répondre aux critères suivants : –être disponible dès le 1 er modèle : l’étude doit commencer alors que l’instrument n’est pas totalement spécifié –pouvoir supporter toutes les configurations de l’instruments ( différents modèles) et de tests (qualification, …) –être livrables éventuellement (contrainte documentaire en particulier) Le simulateur de FPU a été étudié et développé par le DAPNIA/SIS –2 équipements ont été réalisés dont 1 livré au consortium PACS (MPE)

17 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS10 11 200617 Les équipements de test : Simulateur de « PACS » SAp/AIV Simulateur de « PACS » SAp/AIV Simulateur de PhFPU SIS Simulateur de PhFPU SIS

18 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS10 11 200618 La qualification : Avant livraison l’instrument soumis à une campagne de qualification : Il subit un ensemble de tests reproduisant l’environnement du lancement et de l’exploitation : vibrations, chocs, vide / cyclage thermique et CEM Test de vide thermique - Interspace Test ESD conduits - SAp Test de choc - Intespace

19 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS10 11 200619 La qualification : tests sous irradiation Le comportement sous irradiation des électroniques « standard » est validé par design : –Les composants (ou famille de composants) choisis ont subi des tests d’irradiation –La dérive des paramètres est prise en compte dans l’étude –Ajout de protections : contre le latch-up par exemple La situation est différente pour des éléments tels quels les détecteurs –De tests sous irradiations sont réalisés Le bolomètres ont été testés : –En dose cumulée (Co60) sur l’équipement COCASE –Sous flux de photons et alpha au TANDEM à Orsay

20 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS10 11 200620 Conclusion : Après plus de 6 années d’efforts le photomètre est maintenant livré au MPE pour intégration avec le reste de l’instrument Et déjà on parle moins d’électronique …. ce qui est un bon signe La boucle est bouclée : –Il y a quelques années les scientifiques exprimaient leurs besoins aux équipes techniques –Les équipes techniques passent maintenant le relais aux scientifiques

21 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS10 11 200621