Contribution de APC au développement de matrices de bolomètres

Présentation au sujet: "Contribution de APC au développement de matrices de bolomètres"— Transcription de la présentation:

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# 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 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

6 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

7 Performances obtenues avec les spiderwebs
Bruit de photon dans les canaux Planck-HFI à 300mK NEP = 1, W/Hz1/2  = 11ms C = 1pJ/K à 100mK: NEP = 1, 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 Et bientôt… Spectre de puissance Température : ~100µK RMS
Mode B : <300nK RMS Mode E : ~4µK RMS Spectre de puissance Conseil APC - 1 mars 2004