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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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
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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
AT
R
dR
dT
Ti 1.5mmX1.5mmX40nmA=1000
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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
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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
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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
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Performances obtenues avec les spiderwebs 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
Bruit de photon dans les canaux Planck-HFI
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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
Caltech/JPL
Berkeley
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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
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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
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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
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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)
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La collaboration française
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)
Grenoble (CRTBT, LPSC), Toulouse (CESR), Orsay (IAS, IEF,CSNSM), Paris (APC)
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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
l’information électronique jusqu’au THz
Lien direct avec les thèmes scientifiques de APC En particulier, polarisation du CMB
Électronique de lecture à SQUID Amplificateur à SQUID Multiplexage
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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
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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
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Tentative d’agenda
1. Tests du SQUID commercial mars 2004
2. Électronique à SQUID fin 2004
3. Définition du multiplexage début 2005
4. Réalisation de matrice de SQUID fin 2005
5. Réalisation et tests d’un premier multiplexage (sur quelques détecteurs) fin 2005
6. Réalisation et tests du multiplexage sur une matrice de quelques 100 détecteurs fin 2006
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Et bientôt…
Température : ~100µK RMS
Mode B : <300nK RMS
Mode E : ~4µK RMS
Spectre de puissance