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

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1 1 Conception d'une caméra bolométrique pour la radioastronomie millimétrique à grand champ Soutenance de thèse de Samuel LECLERCQ Jury : Président : Laurent PUECH (UJF) Rapporteur : Maurice CHAPELLIER (CEA) Rapporteur : François PAJOT (IAS) Directeur : Alain BENOIT (CRTBT) Codirecteur : François-Xavier DESERT (LAOG) Examinateur : Karl-Friedrich SCHUSTER (IRAM)

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

3 3 I.1. Intérêt des ondes millimétriques pour l'astrophysique. Rayonnement de corps noir à T = 2,725 K sur tout le ciel. Fluctuations : Longueurs dondes m]) et fréquences GHz]) du spectre électromagnétique Ondes Radio Micro- ondes Infra- rouges UV Rayons X Cosmiques Gammas , m] GHz] Besoins : grand champ de vue, grande sensibilité Le rayonnement fossile Continuum d'origine thermique

4 4 Corps noir à T CMB = 2,725 K Corps noir à T CMB déformé par l'effet SZ ( GHz ) B ( W/m 2 /Hz/sr) L'effet Sunyaev-Zeldovich I.1. Intérêt des ondes millimétriques pour l'astrophysique. Interactions : photons du rayonnement fossile et électrons du gaz ionisé intergalactique. Cartographie des amas de galaxies (GHz) B (MJy/sr) Variation relative d'intensité 2 mm1 mm Besoins : grand champ de vue, grande sensibilité, plusieurs longueurs d'ondes

5 5 I.1. Intérêt des ondes millimétriques pour l'astrophysique. Effet de décalage vers le rouge des spectres des galaxies distantes Distance ( m) Sondage de lunivers lointain Émission diffuse due aux poussières interstellaires Observations des régions de formation détoiles 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 (GHz)

6 6 Lentille équivalente au télescope Axe de visée Rayons d'incidence nulle Rayons d'incidence non nulle Plan focal du télescope Éléments optiques du télescope Pourquoi le 30 m ? : 260" (0,07°) Résolution typique : 10" 530 taches de diffraction dans le champ Champ au plan focal : d = 37 cm I.2. Optique du télescope de 30 mètres de diamètre de l'IRAM. Télescope Cassegrain Focale effective : f e 300 m Ouverture : f e /D 10 Champs de vues du télescope Le plus grand télescope millimétrique du monde Résolution angulaire /D : limitée par la diffraction

7 7 Lentille équivalente au télescope Axe de visée Rayons d'incidence nulle Rayons d'incidence non nulle Pourquoi le 30 m ? : 260" (0,07°) Résolution typique : 10" 530 taches de diffraction dans le champ Champ au plan focal : d = 37 cm I.2. Optique du télescope de 30 mètres de diamètre de l'IRAM. Télescope Cassegrain Focale effective : f e 300 m Ouverture : f e /D 10 Champs de vues du télescope Le plus grand télescope millimétrique du monde Résolution angulaire /D : limitée par la diffraction Axe de visée Rayons d'incidence nulle Lentille de champ Lentille froide Plan image : champ 10 cm

8 8 I.2. Optique du télescope de 30 mètres de diamètre de l'IRAM. Objectif : dimensionner loptique 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 Renvoi Champ A Champ B

9 9 Calcul des puissances incidentes sur la matrice Atmosphère :T A = 250 K Télescope et optique : T T = 280 K Rayonnement Fossile : T RF = 2,73 K E k = étendue de faisceau S k. k = a 2 j = émissivité = 1- t i t i = transmission B j = brillance ( corps noir) Transmissions des éléments t t = 0,9 t filtres 0,2 t lentilles = 0,95 t a : dépend de... I.3. Photométrie au télescope de 30 mètres de diamètre de l'IRAM. Puissance sur le détecteur Sources : Lumière sur le détecteur : dominée par les rayonnements parasites

10 10 Opacité de l'atmosphère Transmission : t a = exp(- ) [GHz] I.3. Photométrie au télescope de 30 mètres de diamètre de l'IRAM. Fluctuation d'humidité (nuages) bruit de ciel Choix du matériau pour la lentille Polyéthylène : t(5cm) = t I (1 r I ) 2 = 85 % Transmission des filtres au zénith Limites fondamentales : bruit de photon Ondes millimétriques dans une tache de diffraction : NEP P NEP B

11 11 Spécifications instrumentales pour une utilisation optimale du 30m Sensibilité de la matrice : 1 galaxie haut redshift en 1 heure Meilleurs instruments actuels : 1 galaxie haut redshift en plus de 10 heures Bilan photométrique pour 1 pixel Longueur d'onde (mm/GHz)1,2 / 2502,1 / 143 Nombre de pixels ( CV = 60 arcmin 2 ) Taille des pixels (mm) (D CV = 9,2 cm)1,52,6 Puissance totale (pW)6,64,6 P galaxie L : flux de 1 mJy ( W)0,620,26 Dynamique P tot /P min 10 7 NEP photons 1 mm vp ( W/ )5,42,5 NEFD (mJy ) 1015 Limite e détection à 3 en 1h (mJy) 0,30,4 Temps pour détecter 1 galaxie de 1mJy avec 4 pixels (min)2030

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

13 13 II.1. Les bolomètres T t Bain : T cryo Absorbeur : C Thermomètre : A Lien thermique : G Rayonnement I Absorbeur et thermomètre isothermes : P él = R(T) I 2 Principe de fonctionnement du bolomètre idéal Coefficient de température Thermomètres résistifs < 0 conduction par sauts : A = 5…15 (1M …100G ) Thermomètres supraconducteurs > 0 transition supra-normal : A = 200…1000 (1m … 10 ) Temps de réponse Mesure : V = R(T) I Conductance dynamique sensibilité

14 14 Bruits fondamentaux Bolomètre pas idéal autres bruits (environnement, amplificateur, excès du thermomètre, etc.) Bruit total : II.1. Les bolomètres Objectif : NEP Instrument NEP Photon /3 Bolomètre idéal optimisé P ray = 1pW ; T cryo = 100mK NEP Instrum = W/Hz 1/2 NEP Johnson 0,5 NEP Instrum Fluctuations thermodynamique du bolomètre Bruit Johnson dans le thermomètre (électrons) thermiques expressions similaires Comparables si réponse linéaire. NEP Johnson > 1 Intérêt des très basses T

15 15 II.2. Intérêt du Nb x Si 1-x pour la thermométrie résistive Transport électrique dans les Isolants d'Anderson E EiEi EjEj r q =E ij 1/4 n 1 Conduction par sauts à portée variable résistivité : 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. Transition métal-isolant

16 16 Effet de Champ électrique E Découplage électron-phonon Découplage supplémentaire ( substrat, absorbeur, membrane fuite thermique) 2 phénomènes limitent la polarisation électrique des I.A. : 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.) 10 nm (longueur de localisation des électron) = 5 ; g e-ph 100 W/K 5 /cm 3 ( coefficient de couplage) II.2. Intérêt du Nb x Si 1-x pour la thermométrie résistive Mesures de films de NbSi (Marnieros 1997) : n = 0,65 = m T 0 /1K = ( x/1%) 2 Si x 1 = 8,2% et x 2 = 8,1% à T = 100 mK : ! Influence de la composition et du recuit, problèmes d'homogénéité des couches.

17 17 II.2. Microfabrication Objectif : Réaliser une matrice de bolomètres Substrat : wafer (Si) Membranes (Si 3 N 4 ) Électrodes (Nb) Pistes électriques (Au) Thermomètres Nb x Si 1-x Isolation (SiO 2 ) Collecteurs : antennes (Nb) Absorbeurs : shunt (Bi) Ponts thermiques (ouvertures)

18 18 Coévaporation de Nb et de Si avec masques mécaniques NbSi Platine Nb x Si 1 x Méthode mise au point au CSNSM par L.Dumoulin et S.Marnieros Évaporateur : 2 canons à électrons Évaporation simultanée du Nb et du Si Vitesse de dépôt : v Max = 2Å/s. Régulation des quantités évaporées. Platine tournante Homogénéisation du mélange Substrat (wafer) Masque Wafer 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. II.2. Microfabrication

19 19 Lithographie en lift-off 1) étalement3) révélation 2) insolation 4) dépôt 5) lift-off Évaporation par effet joule II.2. Microfabrication Après tous les dépots : Au 1500 Å Ti 50 ÅNb 500 Å Ir 50 Å NbSi 1000 Å SiO 250 Å

20 20 Si 3 N 4 (membrane) Au/Cr Bi (absorbeur) Au/Cr (lien thermique) Nb x Si 1 x x = 8,2 % e = 1000 Å l = 600 m d = 300 m Bolomètres individuels (CSNSM) II.2. Microfabrication

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

22 22 Principe de la mesure II.3. Expériences mises en œuvre pour les tests électriques Tests à basses température dans des cryostats : Hélium 3 pompé (CSNSM) 300 mK Dilution hélium 3 - hélium 4 (CRTBT) 100 mK RsRs RpRp RCRC RIRI Diviseur VEVE VSVS Charge Inconnue Excitation Entrée Signal Sortie Boîtier de polarisation VdVd V I Montages : Générateur de tension Boîtier de polarisation Matrice Amplificateurs Convertisseurs A/N Acquisition (MAC)

23 23 7 Bolomètres individuels II.4. Résultats des expériences 130 mK 145 mK 160 mK 190 mK 215 mK 650 mK 230 mK 280 mK 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 CampagneÉchantillonnR (k) à 300mK-A à 300mKR(M) à 100mK-A à 100mK He 3 1 à 60,3 - 0,53002,1 BM100,288201,3 DilutionBM100,55502,5224,3 Modèle CSNSM0,655453,51507,1 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 24 II.4. Résultats des expériences Fuite thermique des bolomètres et conductances dynamiques G m Si 3 N 4 théorique BoloM10 dilution, plusieurs n, G g et G m Le modèle de fuite thermique décrit bien les R(V0,T) : Différence entre mesures sur cryostat 3 He pompé, mesures sur dilution 3 He- 4 He et conductance théorique de la membrane inexpliquées. Ordre de grandeur correct. Échantill on bG f (nW/K b ) 1 à 62,1-2,81,7 - 2,3 BM101,61,3 BM10 Global M(Si 3 N 4 ) 2,7 2, Théorie M(Si 3 N 4 ) 3,06 BoloM10 hélium 3 pompé

25 25 NEP phonon à 100 mK NEP Johnson à 100 mK II.4. Résultats des expériences NEP phonon à 300 mK NEP Johnson à 300 mK Estimations des bruits fondamentaux Les calculs prévisionnels correspondent aux attentes : T = 100 mK 5 < P(pW) < 10 NEP totale W/ optimale

26 26 II.4. Résultats des expériences Matrices #1 à #8 Matricex (%)T (mK)R théo (M)R mes (M)R mes /R théo # , , #88,235000, Résistances anormalement élevées et R quand V 0 !!! 550 mK 450 mK

27 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 28 II.4. Résultats des expériences Matrices #10 à # mK 330 mK Matrice #10 : Tout en lithographie lift-off Matrices #11 et 13 : Électrodes Nb déposées par masque mécanique 180 mK 200 mK 220 mK 260 mK 300 mK 400 mK

29 29 II.4. Résultats des expériences MatriceR (M) à 300mK -A à 300mK R(M) à 100mK -A à 100mK #112,1 - 3,02,8 - 3, ,4 - 6,9 #136,0 - 8,84,2 - 4, ,5 - 2,7 x=8,2 % x=8 % 0,06 0,5 2,2 3,5 2, ,6 7,1 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, T 0 et R 0. A conformes aux attentes. R mieux que #1 à #8, mais toujours trop grand. Matriceg e-ph (W/K 5 /cm 3 ) G e-ph ( W/K 5 ) G d_e-ph (100mK) (nW/K) # ,60,5 - 0,8 # ,25 - 1,40,6 - 0,7 Théorie100 Découplage électron-phonon Rq : Paramètre de puissance non ajustable. Théorique : = 5 Le modèle de découplage décrit bien les R(V0,T) : Le coefficient de découplage : g e-ph correspond exactement aux prévisions. Électrodes par masque mécanique : plus de divergences à V 0 Bilan :

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

31 31 Solution retenue : multiplexage ligne/colonne (1 niveau) Matrice N M N+M+2 fils gain de place III.1. Étude d'une électronique multiplexée e S = 7,16 nV/Hz Multiplexage. Lecture d'un grand nombre de détecteurs Sans multiplexage Matrice N M N M+2 fils Matrice fils Problèmes : charge thermique, câblage, N M amplificateurs froids. Matrice fils Matrice fils e S = 5,06 nV/Hz 1 Bolomètre 10 M e J = 7,43 nV/Hz Si I gs = 50 fA :

32 32 III.1. Étude d'une électronique multiplexée Différents montages réalisés. Typiquement : R bolo = 10 M C int = 1,6 nF T = 100 mK e J,bolo = 7,4 nV/ 1) Polarisation résistive Mesure de tension : Parasites dus aux commutations : Parasites dus à la polarisation : essentiellement e J,charge > e J,bolo V REF

33 33 III.1. Étude d'une électronique multiplexée 2) Polarisation capacitive Pas de dissipation de P à T cryo C pol à T cryo : minimiser les I fuite Amélioration par bouclage de l'ampli : Mesure de Q qui équilibre le système. Pas sensible au gain. Bruit plat à haute fréquence Charge périodique de C int REF V REF Ajustement du courant pour chaque bolomètre indépendamment

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

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

36 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. 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. Montage des nouveaux réseaux de HEMTs (QPC) dans les semaines à venir.

37 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, W/Hz 1/2. Bolomètres avec thermomètres résistifs : A = 5..10, courant constant. P él P ray. Nb x Si 1-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 M, A 4, NEP W/Hz 1/2 avec P 10 pW OK ; matrices : échec du tout lift-off, avec électrodes Nb par masques : R 100 M, A 4, g e-ph 100 W/K 5 /cm 3 Trop impédant. Multiplexage temporel : HEMTs. Grenaille N 1/2 e g < Johnson du bolomètre : 7,4 nV /Hz 1/2. Amplification : JFETs à 100 K., bruit blanc N 1/2 e g, e g = 3 nV /Hz 1/2.


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