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