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

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

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

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

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

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 ~2 L1 thermistor Dual Analyzer (PSBs) L2 thermistor Détecteurs Planck-HFI Conseil APC - 1 mars 2004

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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