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

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

2 Conseil APC - 1 mars Bolomètre Meilleur détecteur large bande dans la gamme 200µm-3mm Détecteur thermique Mesure de léchauffement résultant de labsorption du rayonnement Thermomètre = élément résistif

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

4 Conseil APC - 1 mars Contre-réaction électrothermique Si A<0: thermomètres semi-conducteur Polarisation en courant: T R P J =RI 2 T Si A>0: thermomètres supraconducteur Polarisation en tension: T R P J =V 2 /R T Effet dautant 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

5 Conseil APC - 1 mars Electronique de lecture Bolomètre semiconducteur: R b # M Adaptation dimpédance: JFET froid en suiveur Bolomètre supraconducteur: R b # 100m SQUID: Superconducting QUantum Interference Device POLARISATION AMPLIFICATEUR SIGNAL Rb Rpol>>Rb

6 Conseil APC - 1 mars Létat de lart actuel: les spiderwebs Bolomètre « Spiderweb » (Caltech-JPL) Absorbeur en toile daraignée (Si 3 N 4 ) e~1µm, l~5µm, maille~100µm Métalisation Au Thermomètre Ge NTD Polarisation Sensitive Bolometer (PSB) 2 bolomètres dans 1 module Métallisation dans une direction ~2 L1 thermistor Dual Analyzer (PSBs) L2 thermistor Détecteurs Planck-HFI

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

8 Conseil APC - 1 mars Perspectives: bolomètres à antennes Antenne plane pour capter londe 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 Caltech/JPL Berkeley

9 Conseil APC - 1 mars 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 10 3 à 10 4 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 lélectronique aux détecteurs

10 Conseil APC - 1 mars Les techniques a maîtriser Procédé de fabrication collectif Techniques issues de la Microélectronique Techniques équivalentes pour le thermomètre Multiplexage Nécessaire au delà dune 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

11 Conseil APC - 1 mars Avantage aux bolomètres supraconducteur Au niveau de la matrice: Aucune intervention manuelle pour sa réalisation Possibilité de dépôts de la couche supra sur lensemble 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 lélectronique de lecture: SQUIDs Premier étage damplification directement à coté des détecteurs Niveau de bruit très faible Multiplexage en temps ou en fréquence

12 Conseil APC - 1 mars 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)

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

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

15 Conseil APC - 1 mars 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

16 Conseil APC - 1 mars Estimation des besoins humains à lAPC Électronicien analogicien0,3 FTE/an Amplificateur à SQUID Informaticien/électronicien0,3 FTE/an Acquisition de données, multiplexage Projeteur (soutient)0,2 FTE/an Mécanique IR instrumentation0,5 FTE/an Tests Un thésard en collaboration avec le LISIF Antenne et traitement de linfo électronique

17 Conseil APC - 1 mars Tentative dagenda 1. Tests du SQUID commercialmars Électronique à SQUIDfin Définition du multiplexagedébut Réalisation de matrice de SQUIDfin Réalisation et tests dun premier multiplexage (sur quelques détecteurs)fin Réalisation et tests du multiplexage sur une matrice de quelques 100 détecteursfin 2006

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


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