1

Sub-mm/mm: Détection directe

Michel Piat Laboratoire AstroParticule et Cosmologie (APC) Université Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité

Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat

Détection sub-mm/mm

!  Photométrie ou spectroscopie faible résolution

2

SAFIRE

Herschel-SPIRE

COBE-FIRAS

Herschel-PACS

Planck-HFI

Expériences bolo:

Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat

Les R&D en détection directe

1.  Besoins en astronomie submm/mm 2.  Bolomètres

"  CEA-LETI "  DCMB "  IRAP

3.  KIDs 4.  Architecture instrumentale

"  QUBIC "  BSD

3 Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat

1. Le ciel en photométrie sub-mm/mm

4

Effet SZ

Spectres de galaxies à différents redshift

VSGs!

BGs!

60 µm!

100 µm!

PAHs!

Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat

5 Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat

6 Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat

Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat 7

8

2. Bolomètres !  Bolomètre « Spiderweb » (Caltech-

JPL) "  Absorbeur en toile d’araignée

(Si3N4) !  e~1!m, l~5!m, maille~100!m !  Métalisation Au

"  Thermomètre Ge NTD "  Polarisation Sensitive Bolometer

(PSB)

!  Performances: "  300mK: NEP = 1,5.10-17 W/Hz1/2

! = 11ms "  100mK: NEP = 1,5.10-18 W/Hz1/2

! = 1,5ms

~2"

L1 thermistor

Dual Analyzer (PSBs)

L2 thermistor

Détecteurs Boomerang, QUAD, BICEP, Planck-HFI Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat

Bruit de photon du ciel

!  Photométrie: bolomètres limitées par le bruit de photon de la source observée "  Amélioration de la sensibilité: matrice de bolomètres

!  Spectroscopie: nécessité d’améliorer la sensibilité intrinsèque des bolomètres "  Matrice pour augmenter la vitesse de cartographie

9

(adaptée de J.M. Lamarre)

!

"#" = 4

!

"#" =100

!

"#" =104

Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat

10

Matrices de bolomètres

Herschel/SPIRE Bolometer Array 160 Al/Ti supercond. bolometers for SPT (UCB)

Bolomètres à antennes (UCB)

8x8 phased array antenna bolometers(Caltech-JPL)

Contraintes pour la réalisation de matrices de bolomètres !  Procédé de fabrication totalement collectif

"  Techniques issues de la microélectronique "  Lien fort avec les centrales de technologie

!  Multiplexage "  En temps ou en fréquence "  Nécessaire au delà d’une

centaine de pixels !  Simplification !  Cryogénie

!  Intégration "  Aspects systèmes fondamentaux

"  Nécessité d’une étude système complète en laboratoire

11 Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat

R&D matrice de bolomètres en France: CEA-LETI !  Développements à l’origine pour Herschel PACS !  Bolomètres semiconducteurs Si implanté

"  Lecture par transistor CMOS "  Réalisation LETI "  Gamme 80!m – 210!m "  10-16W.Hz-0.5 à 300mK

12

thermomètres

silicon grid+ absorber

reflector

0.3K

400 µm

>50 µm

Indium bumps

Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat

CEA DSM Dapnia SAp

II. CEA Bolometers – Working principles

Detection layer seen from the readout circuit point of view

640

µm

Cre

dit C

EA

Cre

dit C

EA

Cre

dit C

EA

Cre

dit C

EA

Bolometer thermometer on suspended absorbing grid

Reference thermometer on interpixel wall / heat sink

Indium bump pad

2 µm x 5 µm Suspension rod

Thermometer in mesa configuration

Indium bump

Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat

Du détecteur au module PACS

14 Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat

Après PACS !  TES, bolomètre à antenne, KIDs? !  Augmentation du nombre de pixels par

module (16x16 # 32x32) !  Amélioration de la sensibilité

"  Diminution de la température de fonctionnement # 50mK

"  Diminution de la conductance et de la capacité calorifique

!  Conférer aux pixels des propriétés spectroscopiques: "  Par exemple en ayant une cavité résonnante

variable dans le pixel

15

SAFARI sub array

PACS sub array

Poster: !Developpment of high sensitivity bolometer at CEA in the sub-mm domain, V. Revéret!

Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat

3.4x10-19 W/Hz(1/2)

Performances pour SAFARI Matrice PACS @ 50mK

16 Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat

-  Reducing the thermal conductance - Increase length, reduce section

-  Reducing the heat capacity - pixel, thermometer reduction

=> We could in principle reach NEP = 1!10-19 W/Hz1/2

Augmentation de la sensibilité

17 Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat

R&D matrice de bolomètres en France: DCMB !  Développements SZ+CMB !  Collaboration IN, APC, CSNSM,

IAS, IEF, LPSC, LPN, L2E !  Bolomètres semiconducteur

NbSi "  Multiplexage HEMT "  2.10-16W.Hz-0.5 à 300mK

!  Bolomètres supraconducteur NbSi "  Multiplexage à SQUID + ASIC SiGe "  10-16W.Hz-0.5 à 350mK

!  Gamme: 1mm-3mm !  Réalisation IEF-MINERVE+CSNSM

18

Olimpo11 structuré

Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat

Points forts

!  NbSi (CSNSM) "  Alliage original "  Supra ou semi-conducteur

!  Mux HEMTs à 100mK (IN) "  Bolomètres semiconducteurs

!  ASIC SiGe à 4K (APC) "  Microélectronique cryogénique "  Mux SQUIDs "  Autres applications

19

5mm

2mm

Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat

20

DCMB: 204 bolometer arrays with bow tie antennas !  2 antenna sizes, 2 orientations !  High impedance NbSi

Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat

1 2 3

4 5 6

Polarised signal measurement

2

1

3

4-6

5

Poster: Instruments et détecteurs pour

l’astronomie millimétrique, IN!

21 Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat

Matrice de 23 bolomètres supraconducteurs !  1ère réalisation IEF-IAS

(thèse Y. Atik, B. Belier) "  Membranes pleines (type

Olimpo): NEP~10-16W.Hz-0.5

!  Lecture via ASIC SiGe V2 et une architecture thermo-mécanique (APC)

22

SQUIDs (Star Cryoelectronics)

ASIC

Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat

Performances

!  Bruit en courant cohérent avec le modèle "  Pas de fit ici!

Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat 23

!  NEP=10-16W.Hz-0.5

(membrane pleine) !  Pas de bruit en excès!

(thèse Joseph Martino)

Posters: !- Implication de l’IEF-Minerve dans DCMB !et BSD, B. Bélier!!- Matrices de bolomètres supraconducteur, !DCMB!

R&D matrice de bolomètres en France: IRAP

24

!  Développements pour SPICA/SAFARI (2019?) "  Collaboration SRON, Cardiff, IRAP,

PTB, Cambridge, RAL, NUIM

!  Bolomètres supraconducteur "  Spec: 2.10-19W.Hz-0.5 à 50mK "  SRON, Cardiff/Cambridge

!  IRAP: électronique de lecture "  FDM "  Base band feedback avec décimation

Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat

25 Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat

3. KIDs !  Développement pour observations SZ à l’IRAM 30m !  Lumped Element Kinetic

Inductance Detectors "  Multiplexage fréquentiel

intrinsèque "  ~7.10-17W.Hz-0.5 à 100mK

!  Gamme: 1mm-2mm !  Réalisation IN, PTA, IRAM,

IEF et SRON "  Simplicité de réalisation

par rapport aux bolomètres

!  Sensibilité aux rayons cosmiques

26

Posters: !- Instruments et détecteurs pour l’astronomie !millimétrique, IN!!- LEKIDs for NIKA, M. Rösch IRAM-IN!

Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat

……

One week day-time observations at the 30-m IRAM telescope

NEFD # 300 mJy$s0.5

Design: SRON Fabrication: Delft

Electronics: MpI Bonn

Bands : 1.25 ‒ 2.05 mm Pixels : 144 x 2

Field-of-view : 2 arc-min Tbase = 70mK

A. Monfardini, A. Benoit et al., ApJS 194, Issue 2, id. 24 (2011)

4. R&D autour des détecteurs directs: QUBIC !  Développement du premier

interféromètre bolométrique pour la recherche des modes B du CMB "  Interférométrie: immunité aux effets

parasites instrumentaux "  Bolomètres: sensibilité

!  Nouveau concept # R&D "  Démonstration de la méthode "  Beam combiner "  Cornets platelets, switch RF

!  Phase de réalisation: 2011 - fin 2013 "  Demande ANR en cours

!  Observations Dôme C: 2014 !  Astropart. Phys. 34, 705 (2011) arXiv:1010.0645

31 Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat

4. R&D autour des détecteurs directs: BSD !  Réalisation de détecteurs et composants

micro-onde supraconducteurs pour la mesure de la polarisation du CMB "  Technologie Nb "  70GHz-350GHz "  Composants: Antennes, lignes de

transmission, filtres, déphaseurs, switch, coupleur/diviseur de puissance

!  Collaboration APC, CSNSM, IAS, IEF, IN, LERMA, LPSC, L2E

!  Financements: GIS P2I, ANR JC, CNES !  Premiers résultats: ligne de transmission

supra avec antennes

32

OMT planaire (Adnan Ghribi)

Structure d’étalonnage: Mesure S21 à 4K (Milan Biccoca)

Poster: !Implication de l’IEF-Minerve dans DCMB et BSD, B. Bélier!

Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat

Détection directe: conclusions

!  Objectifs des R&D: préparation des futures missions spatiales "  Développement de matrices de détecteurs "  Amélioration de la sensibilité pour la spectroscopie

sub-mm "  Composants RF associés

!  Fort lien de ces R&D avec les centrales de technologie "  LETI, IEF-MINERVE, PTA

33

Merci à Louis Rodriguez, Martin Giard, Alessandro Monfardini, Benoit Bélier!

Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat