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R&D Matrice de bolomètresLa collaboration DCMB

Michel Piat, Philippe Camus, Eric Bréelle

pour la collaboration DCMB

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Contenu

1. Bolomètres composites aux très basses températures

2. Motivations: 1. La polarisation du Fond Diffus Cosmologique2. l’exemple de SAMPAN

3. La collaboration DCMB

4. Prospectives

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1. Bolomètre composite

Détecteur thermique Système macroscopique Mesure de l’échauffement

résultant de l’absorption du rayonnement

Thermomètre = élément résistif

Meilleur détecteur large bande dans la gamme 200µm-3mm

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Principe d’un bolomètre

Statique:

Dynamique:

Non linéaire: dG/dT~T et C~T

Pr RI2 G(T T0)

TPr

1

Geff 1 j eff eff

C

Geff

CdTdtGeffT Pr

1. Compromis entre réponse et constante de temps

2. Faible C requise basses températures

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Sources de bruits fondamentaux

Bruit Johnson: Résistance électrique R à la température T

Bruit de Phonons: Conductance G à la température uniforme T

Bolomètre: pas en équilibre thermique

Surestimation de NEPph d’environ 30% [Mather]

Bruit intrinsèque total:

DSPV 4kTR V 2 .Hz 1

NEPPh2 4kT 2G W 2.Hz 1

NEPbol2 NEPJ

2 NEPPh2

NEPJ2

DSPV

2W 2 .Hz 1

Responsivité [V/W]

Basses températures requises

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Autres sources de bruits

Bruits de l’électronique de lecture Fluctuations de température du

bain cryogénique Microphonie Diaphonie Perturbation électromagnétique Effet des rayons cosmiques… Nécessité d’une étude système

complète d’une chaîne d'acquisition bolométrique

(mise en œuvre)

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Symbol: banc de test Planck-HFI à 100mK

(IAS Orsay)

B. Leriche, P. Granier, J.M. Lamarre, J.P. Torre, J.P. Crussaire, F. Langlet, M. Chaigneau, M. Piat

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Optimisation d’un bolomètre

Minimisation de la NEP: Avec des hypothèses raisonnable:

Dans ces conditions:

PJ Pr

Gd Pr

T0

NEPbol2 [15...25]4kT0Pr

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Bruit de photons

Fluctuation du flux de photons: Puissance radiative incidente Pr dans /2:

Bolomètre limité par le bruit de photon (BLIP):

Avec un bolomètre optimisé, il vient:

NEPh2 2hPr

NEPbol2 NEPph

2

T0 h40k

T0 300mK 1mm

soit

Cap techno

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Thermomètre Caractérisation:

Semi-conducteur: A # -5-10 Si implanté Ge NTD (Haller-Beeman) Couches minces Nb/Si (CSNSM)

Supraconducteur: A#100 1000 Ti

Tc≈400mK Mo/Cu, Mo/Au…

Variation de Tc: effet de proximité Couches minces Nb/Si (CSNSM)

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

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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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Exemple de réalisation de bolomètres individuelles 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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1E-18

1E-17

1E-16

1E-15

0,1 1

T (K)

NE

P (

W/K

^1

/2)

1 : Si3N4 - poutres 2 : Si3N4 - poutres3 : Si3N4 - membrane4 : Si3N4 - membranes5 : Si - poutres6 : Si - poutres

Performances des bolomètres composites

24 TGkNEP Bph

1) Données Sider Web, 8 poutres de Si3N4 1mmX4mX1m2) Leivo (APL, 72 (11), 1998) : 4 poutres Si3N4 100mX25mX200nm3) Leivo (id) : membrane pleine de 0.4mmX0.4mmX200nm4) Membrane CSNSM (NIMA 444 (2000) 419-422) : Si3N4 5mmX5mmX100nm5) LETI [30] : 4 poutres Si 0.7mmX5.9mX5m6) LETI [30] : 4 poutres texturées Si 0.7mmX4.7mX5m

NEP 2 4kBT 2Gd 4kB TPél 1

L2

5mm

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Température de bruit d’un bolomètre: Tbruit = NEP/(2kB)

Hypothèse: sensibilité limitée par le background (BLIP) et photon shot noise

NEP 4kBTciel h Tbruit Tciel h

kB

Exemples:

•BOLOCAM: =275 GHz, Tciel = 50K, =0.15 Tbruit = 80 K

•ACBAR: =150 GHz, Tciel = 20K, =0.5 Tbruit = 20 K

•Planck-HFI: =100 GHz, Tciel = 5K, =0.5 Tbruit = 7 K

Températures de bruit de bolomètres

NEP: puissance équivalent de bruit (W.Hz-0.5)

: efficacité globale: largeur de bande

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2. Le Fond Cosmologique Micro-onde (FCM)

COBE (1989) T=(2.728±0.004)K

∆T/T≈10-5 à 7°

Singularité: Big-Bang

Univers transparent

Surface de dernière diffusion

Univers opaque (diffusion Thomson)

WMAP (2002)

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Les modes de polarisation du FCM

Mode E: Modes scalaires S : fluctuation de densité Modes tensoriels T : ondes gravitationnelles

Mode B: Modes tensoriels uniquement (+effet de lentille

sur mode E) Traceur des modes tensoriels Dépend des paramètres de l’inflation

“Without detection of gravitational waves, the energy scale of inflation remains uncertain by at least 12 orders of magnitude”, Knox, 2002,

astro-ph/0202286.

E < 0

Q > 0 U = 0

E > 0

Q < 0 U = 0

B > 0

Q = 0 U > 0

B < 0

Q = 0 U < 0

Origine:Diffusion Thomson au moment du découplageRequiert un rayonnement anisotrope incident à l’électron

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Spectres de puissance de la polarisation du FCM Encore plus difficiles à

mesurer que les anisotropies en température!

Mode E détecté par DASI Corrélation TE mesurée

par WMAP

Température : ~100µK RMS

Mode B : < 300nK RMS

Mode E : ~4µK RMS

Mode B jamais détecté jusqu’à présent Dépend de r=T/S r < 0.38 à 68% CL (Leach & Liddle 2003)

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Planck et les modes B Satellite ESA Relevé complet du ciel sub-mm et

mm (2007) Anisotropies du FCM

Intensité et polarisation Résolution: 5’ Sensibilité: ∆T/T = 2.10-6

Avant-plans

15 fois plus sensible que WMAP Planck sera l’expérience ultime

pour T jusqu’à l 2000, pour E jusqu’à l 1000 …

… mais ne détectera les modes B que si r est proche de sa borne supérieure.

~100µK RMS

Mode E~4µK RMS

Mode B~300nK RMS

(Hu et al. 2002)

Planck, 14 mois d’intégration:

Mesure marginale des modes B…

r=0.7

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Mesure des modes B Expériences possibles:

Erreurs de mesure des modes B:

Requiert Beaucoup de détecteurs Long temps d’intégration

Expériences sol et satellite

Expérience fciel Temps d'observation

Sensibilité par détecteur

NBolos

Sol (antarctique)

0,01 6 mois 300Ks^0.5 1000

Ballon 0,01 1 jour / 10 jours 100Ks^0.5 1000

Satellite 1 une année 100Ks^0.5 1000 (4)

r=0.1

(stage DEA B. Quenez)

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Exemple de besoins: SAMPAN

Mini-satellite Fin de phase 0.1 avec le CNES/PASO

Objectif: mesure des modes B du FCM aux grandes échelles angulaires (>1°)

30 fois mieux que Planck (goal) Spécification: 10 fois mieux

1000 fois plus de détecteurs pour la même durée de temps d’intégration! 50000 détecteurs au total!!!

Solutions: Bolomètres 100mK-200mK Sans cornets

SAMPAN

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The ultimate sensitivity

from A. Lange “Detectors for future CMB observations”

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Collaboration DCMB Accord de coopération de différents laboratoires en France

(objectifs/moyens différents) R&D soutenue par le programme Astroparticule du CNRS et

par le CNES

Objectif d’obtenir un ensemble cohérent de moyens et de compétences pour le développement de matrices de bolomètres refroidis (microfabrication)

Deux filiaires pour des bolomètres composites : Haute impédance (NbSi) Supraconducteurs (TES) (NbSi ?)

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La collaboration DCMBLabo TachesCSNSM Couches thermométriques (semi, supra)

IEF Architecture bolométrique, Réalisation SQUIDs

LPSC Antennes, MPI

LISIF/LERMA/APC Antennes, traitement GHz-THz, ampli SiGe

CRTBT/LAOG Multiplexage haute impédance, cryogénie, MPI

LPN Réalisation HEMTs

IAS Tests supra

APC Tests échantillons supra, réalisation SQUIDs (avec IEF), multiplexage SQUIDs

CESR Etude CEB

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Structure bolométrique

- composite classique

- antenne

Senseur TES- Senseur (Csnsm)- Squid (APC/Csnsm/IEF)- Electronique(APC/CESR)

Senseur Haute Impédance- Senseur (Csnsm)- MUX Hemt (LPN)- Electronique (Crtbt)

Caractérisation

- Réponse fréquence/polarisation

- Optique

Conception antennes HFSS (LPSC)

Martin-Puplett (Crtbt/LPSC)

Croystat optique à dilution- Diabolo (CRTBT)- Caméra IRAM 30m (CRTBT)- Symbol (IAS)

Microfabrication (IEF-MINERVE)Couches minces (Csnsm)Nanofab (Crtbt)HEMT (LPN)

Olimpo IRAM

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NbSi 100X400me = 100 nm

Matrice Olimpo

23 pixels, membranes de 3 mmNEP < 5.10-16 W/Hz1/2@300mK

20x10-3

15

10

5

0

V

20x10-9

151050

A

Bolo @296mK Bolo @300-310mK Bolo @350mK Membrane @293mK Membrane @342mK

Structure classique

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Matrice de bolomètres à antenne DCMB

• membranes 1mm (LETI)

• Etape de faisabilité ~OK : calcul EM, isolation SiO ?

• Construction d’une matrice de 187 pixels fonctionnelle en cours…

Antenne (Nb)Couche dissipative (Bi)

SiN, membrane

Couche isolant (SiO)

NbSi thermomètre

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Gravure du NbSi

Réalisation / gravure profonde pour membranes

Isolation antennes / thermomètres avec SiN / SiO2

Matrice de bolomètres à antenne 204 pixels

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Calculs EM ( HFSS )

Collaboration DCMB - d’après O.Guillaudin (LPSC)

• conception antennes large bande• optimisation du shunt dissipatif• sélectivité à la polarisation• validation expérimentale

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Vmeas

Transistor switches

Réseau de HEMT (QPC)(Yong Jin – LPN)

Multiplexage haute impédance8-16:1

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NbSi supraconducteur

Echantillon 10x10 Acquisition via

AVS47 Première

caractérisation Mise au point du banc

de test

Mesures SQUID en préparation Bruits intrinsèques?

NbSi 10x10 15/4/2005

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

0,32 0,33 0,34 0,35 0,36 0,37 0,38 0,39 0,4

tempˇrature en K

rˇsi

stan

ce d

u m

atˇr

iau

en

Oh

ms

32

Lecture basse impédance: SQUID

Réalisation de SQUID DC IEF/CSNSM/APC

Objectif: implantation a proximité des bolomètres

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Amplificateur 4K pour SQUID à base de transistor SiGe Collaboration avec le LISIF (D.

Prêle) Transistor bipolaire SiGe

Amplification en tension grande bande passante Adapté aux basses impédances Caractéristiques de bruit

intéressantes

(Prêle et al., 2005, soumis a IEEE)

En cours de caractérisation

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Perspectives: BRAIN/CLOVER?I, U, Q, V: Paramètres de Stokes

sin2

cos2

22

22

yx

yx

yx

yx

EEV

EEU

EEQ

EEI

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Optique froide (Cardiff)

Prototype:

Cornets Archeops:

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BRAIN

Instrument BRAIN final 256 cornets

Requiert la miniaturisation de l’optique froide Antennes Filtrage sur la ligne à micro ruban Jonction hybride et déphaseurs en ligne à micro ruban

Nb

Satellite post-Planck…

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Bolomètres à antennes Antenne plane pour capter

l’onde EM incidente Nb: max 600GHz

Lignes à ruban supra Sélection de la bande passante

par filtrage électronique Possibilité de traitements plus

complexe

Énergie dissipée dans une résistance sur un bolomètre Taille beaucoup plus petite que

pour un bolo classique

Caltech/JPL

Berkeley

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EF

4 meV

Te =(Tph

5 + P V

)1/5

Cold-electronabsorber (Cu)

SQUID

N

N

U0 2 eV

S

I

1 THz

ph I

S SIN junctions:- C-coupling to antenna- thermal isolation,- P measurements &- electron cooling

Antenna

P

S

I

V

P

= 10 nse-ph= 10 s

I

Performances attendues :

Adapté aux faibles puissances(10 fW)NEP~10-19 W/Hz1/2

T0 = 100-300 mK = 10s

(L.Kuzmin, Chalmers UT)

Perspectives: Cold Electrons Bolometer (CEB)

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Conclusions DCMB

Voie haute impédance: IRAM 30m d’ici 1 an

2x200 pixels 1.2mm et 2.1mm Multiplexage HEMTs

Voie supraconducteur Plusieurs pixels complets d’ici un an

SQUID implantés a proximité des détecteurs Amplificateur SiGe

Limite ultime pour les bolomètres composites NEP=10-18 W.Hz-0.5

Mesures CMB: sensibilité suffisante Meilleurs sensibilité requise pour la spectroscopie d’objets

lointains