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CRTBT. Conception d'une caméra bolométrique pour la radioastronomie millimétrique à grand champ. Soutenance de thèse de Samuel LECLERCQ Jury : . Plan de l'exposé. I. Besoins astrophysiques et spécifications instrumentales. II. Caméra bolométrique et thermomètres en NbSi.

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Presentation Transcript
slide1

CRTBT

Conception d'une caméra bolométrique pour la radioastronomie millimétrique à grand champ

Soutenance de thèse de

Samuel LECLERCQ

Jury :

slide2

Plan de l'exposé

I. Besoins astrophysiques et spécifications instrumentales.

II. Caméra bolométrique et thermomètres en NbSi.

III. Électronique multiplexée.

Conclusion.

slide3

109 106 103 110-3 10-6 10-9 10-12 10-15

Ondes Radio

Micro-

ondes

Infra-

rouges

UV

Rayons

X

Gammas

Cosmiques

10-9 10-6 0,00111000106 109 1012 1015

I.1. Intérêt des ondes millimétriques pour l'astrophysique.

Longueurs d’ondes ([m]) et fréquences ([GHz]) du spectre électromagnétique

 [m]

 [GHz]

Le rayonnement fossile

Continuum d'origine thermique

Rayonnement de corps noir à T = 2,725 K sur tout le ciel. Fluctuations :

 Besoins : grand champ de vue, grande sensibilité

slide4

I.1. Intérêt des ondes millimétriques pour l'astrophysique.

L'effet Sunyaev-Zeldovich

B

(10-20 W/m2/Hz/sr)

Corps noir à TCMB = 2,725 K

Interactions : photons du rayonnement fossile et électrons du gaz ionisé intergalactique.

Corps noir à TCMB déformé par l'effet SZ

 (GHz)

B

(MJy/sr)

Variation relative d'intensité

 Cartographie des amas de galaxies

 Besoins : grand champ de vue, grande sensibilité, plusieurs longueurs d'ondes

 (GHz)

2 mm

1 mm

slide5

I.1. Intérêt des ondes millimétriques pour l'astrophysique.

Effet de décalage vers le rouge des spectres des galaxies distantes

(GHz)

 Sondage de l’univers lointain

300000

30000

3000

300

30

Distance

Émission diffuse due aux poussières interstellaires

(m)

 Observations des régions de formation d’étoiles et des galaxies proches

 Besoins : grande sensibilité, grand champ de vue, haute résolution angulaire

Détecteurs atteignant les limites fondamentales et les limites instrumentales d'un grand télescope millimétrique

slide6

I.2. Optique du télescope de 30 mètres de diamètre de l'IRAM.

Pourquoi le 30 m ?

Le plus grand télescope millimétrique du monde

Télescope Cassegrain

Focale effective : fe ≈ 300 m Ouverture : fe/D ≈ 10

Résolution angulaire  /D : limitée par la diffraction

Champs de vues du télescope

Rayons d'incidence non nulle

Q

Rayons d'incidence nulle

Plan focal du télescope

Axe de visée

: 260" (0,07°)

Résolution typique : 10"

 530 taches de diffraction dans le champ

Champ au plan focal : d = 37 cm

Éléments optiques du télescope

Lentille équivalente au télescope

slide7

I.2. Optique du télescope de 30 mètres de diamètre de l'IRAM.

Pourquoi le 30 m ?

Le plus grand télescope millimétrique du monde

Télescope Cassegrain

Focale effective : fe ≈ 300 m Ouverture : fe/D ≈ 10

Résolution angulaire  /D : limitée par la diffraction

Champs de vues du télescope

Rayons d'incidence non nulle

Lentille froide

Q

Plan image : champ ≈ 10 cm

Rayons d'incidence nulle

Rayons d'incidence nulle

Axe de visée

Axe de visée

: 260" (0,07°)

Résolution typique : 10"

 530 taches de diffraction dans le champ

Champ au plan focal : d = 37 cm

Lentille de champ

Lentille équivalente au télescope

slide8

I.2. Optique du télescope de 30 mètres de diamètre de l'IRAM.

Objectif : dimensionner l’optique de reprise pour que les aberrations soient plus petites que les taches de diffraction.

Deux configurations possibles dans la cabine du télescope

Vue de profil

Champ A

Renvoi

Champ B

slide9

I.3. Photométrie au télescope de 30 mètres de diamètre de l'IRAM.

Calcul des puissances incidentes sur la matrice

Lumière sur le détecteur : dominée par les rayonnements parasites

Atmosphère : TA = 250 K

Télescope et optique : TT = 280 K

Rayonnement Fossile : TRF = 2,73 K

Sources :

Puissance sur le détecteur

Ek = étendue de faisceau Sk.Wk = a l2

ej = émissivité = 1- ti

ti = transmission

Bj = brillance ( corps noir)

Transmissions des éléments

tt = 0,9 tfiltres ≈ 0,2 tlentilles = 0,95 ta : dépend de n...

slide10

I.3. Photométrie au télescope de 30 mètres de diamètre de l'IRAM.

Opacité de l'atmosphère

tn

 au zénith

Transmission : ta = exp(-tn)

Fluctuation d'humidité (nuages)  bruit de ciel

Choix du matériau pour la lentille

Polyéthylène : t(5cm) = tI(1 rI )2 = 85 %

n[GHz]

Transmission des filtres

Limites fondamentales : bruit de photon

Ondes millimétriques dans une tache de diffraction : NEPP ≈ NEPB

slide11

Spécifications instrumentales pour une utilisation optimale du 30m

Bilan photométrique pour 1 pixel

Sensibilité de la matrice : 1 galaxie haut redshift en 1 heure

Meilleurs instruments actuels : 1 galaxie haut redshift en plus de 10 heures

slide12

II. Les détecteurs

Bolomètres : détection d'énergie par mesure de température

Adaptés au ondes millimétriques.

Nécessité de refroidir (cryostat  100 mK)

Caractéristiques :

Sensibilité

Lien thermique

NEP

Collecteur à antenne [Lukanen]

SpiderWeb Ge [Bock]

Ex : Archeops ; Planck

Matrices :

Réalisation collective

Sensibilité pixel / taille

Facteur de remplissage (Fr)

Homogénéité

Échantillonnage

Vitesse de cartographie

Cornets : avec : Fr < 40%, Sans Fr > 90%, mais ! lumière parasite

MAMBO II [Kreysa]

slide13

II.1. Les bolomètres

Principe de fonctionnement du bolomètre idéal

T

Rayonnement

Thermomètre : A

I

Absorbeur : C

t

Lien thermique :G

Bain : Tcryo

Absorbeur et thermomètre isothermes : Pél = R(T)I2

 sensibilité

Conductance dynamique

Temps de réponse

Mesure : V = R(T)I

Coefficient de température

Thermomètres résistifs a < 0 conduction par sauts : A = 5…15 (1M…100G)

Thermomètres supraconducteurs a > 0 transition supra-normal : A = 200…1000 (1mW … 10W)

slide14

II.1. Les bolomètres

Bruits fondamentaux

  • Fluctuations thermodynamique du bolomètre
  • Bruit Johnson dans le thermomètre (électrons)

thermiques  expressions similaires

Comparables si réponse linéaire. NEPJohnson < NEPThermodyn si A >> 1

 Intérêt des très basses T

Bolomètre pas idéal  autres bruits (environnement, amplificateur, excès du thermomètre, etc.)

Bruit total :

Objectif : NEPInstrument ≤ NEPPhoton/3

Bolomètre idéal optimisé

NEPJohnson ≥ 0,5 NEPInstrum

Pray = 1pW ; Tcryo = 100mK NEPInstrum= 10-17 W/Hz1/2

slide15

E

q=Eij

Ej

r

Ei

II.2. Intérêt du NbxSi1-x pour la thermométrie résistive

Transport électrique dans les Isolants d'Anderson

Transition métal-isolant

Conduction par sauts à portée variable  résistivité :

1/4  n  1

 Très bons thermomètres : Grande sensibilité à très basse température (A ~ 3 à 10). Si R ≈ 10 M : bien adaptée aux transistors FET. R et C ajustables pour T donnée (composition, recuit, géométrie). Films minces : bien adapté à la bolométrie.

slide16

II.2. Intérêt du NbxSi1-x pour la thermométrie résistive

Conduction électrique sous polarisation non nulle

Optimisation du signal :

Polarisation électrique P = VI

Sensibilité sans dimension (A~ 3 à 10 pour les I.A.)

2 phénomènes limitent la polarisation électrique des I.A. :

 ≈ 10 nm (longueur de localisation des électron)

Effet de Champ électrique E

 = 5 ; ge-ph ≈ 100 W/K5/cm3 (coefficient de couplage)

Découplage électron-phonon

Découplage supplémentaire ( substrat, absorbeur, membrane  fuite thermique)

Mesures de films de NbSi (Marnieros 1997) :

n = 0,65r0 = 510-4 ΩmT0 /1K = (26 - 3x/1%)2

Si x1 = 8,2% et x2 = 8,1%

 à T = 100 mK : rr!

Influence de la composition et du recuit, problèmes d'homogénéité des couches.

slide17

II.2. Microfabrication

Objectif : Réaliser une matrice de bolomètres

Substrat : wafer (Si)

Membranes (Si3N4)

Électrodes (Nb)

Pistes électriques (Au)

Thermomètres NbxSi1-x

Isolation (SiO2)

Collecteurs : antennes (Nb)

Absorbeurs : shunt (Bi)

Ponts thermiques (ouvertures)

slide18

II.2. Microfabrication

Coévaporation de Nb et de Si avec masques mécaniques

Méthode mise au point au CSNSM par L.Dumoulin et S.Marnieros

Platine

Évaporateur :

2 canons à électrons

 Évaporation simultanée du Nb et du Si

Vitesse de dépôt : vMax= 2Å/s.

Régulation des quantités évaporées.

Platine tournante

 Homogénéisation du mélange

Substrat (wafer)

Masque

Nb

Si

  • Inconvénient des masques :
  • Conception des masques (dépôts de Ni)
  • Contraintes de centrage des différentes couches (plots NbSi et électrodes)
  •  Taille minimale des motifs à 20m.

NbxSi1x

Wafer Si

slide19

Après tous les dépots :

Au ≈ 1500 Å

Ir ≈ 50 Å

SiO ≈ 250 Å

Ti ≈ 50 Å

Nb ≈ 500 Å

NbSi ≈ 1000 Å

II.2. Microfabrication

Lithographie en lift-off

2) insolation

1) étalement

3) révélation

4) dépôt

Évaporation par effet joule

5) lift-off

slide20

II.2. Microfabrication

Bolomètres individuels (CSNSM)

NbxSi1x

x = 8,2 %

e = 1000 Å

l = 600 m

d = 300 m

Si3N4 (membrane)

Bi (absorbeur)

Au/Cr

Au/Cr (lien thermique)

slide21

1 cm

II.2. Microfabrication

Matrices de thermomètres NbSi

#1 à #8 (L2M puis CEETAM) 36 pixels

NbSi

Au

300 m

600 m

Si

#10 à #13 (CRTBT/CSNSM-CEETAM) 4 pixels

slide22

II.3. Expériences mises en œuvre pour les tests électriques

Principe de la mesure

Rs

RC

Excitation Entrée

I

Charge

Signal Sortie

VS

Vd

Rp

RI

V

VE

Diviseur

Inconnue

Boîtier de polarisation

  • Montages :
  • Générateur de tension
  • Boîtier de polarisation
  • Matrice
  • Amplificateurs
  • Convertisseurs A/N
  • Acquisition (MAC)
  • Tests à basses température dans des cryostats :
  • Hélium 3 pompé (CSNSM)  300 mK
  • Dilution hélium 3 - hélium 4 (CRTBT)  100 mK
slide23

130 mK

145 mK

160 mK

190 mK

215 mK

230 mK

280 mK

650 mK

II.4. Résultats des expériences

7 Bolomètres individuels

Films NbSi : x = 8% d = 300 m; l = 600 m; e = 0,1 m

R(V) pour plusieurs T

R(V=0,T)

Coefficients de température

Le modèle de conduction par saut décrit bien les R(V=0,T) :

R et A conformes aux attentes (différence entre échantillons et prévisions : inhomogénéités, recuit).

slide24

II.4. Résultats des expériences

Fuite thermique des bolomètres et conductances dynamiques

BoloM10 dilution, plusieurs n, Gget Gm

Gm Si3N4 théorique

BoloM10 hélium 3 pompé

Le modèle de fuite thermique décrit bien les R(V≠0,T) :

Différence entre mesures sur cryostat 3He pompé, mesures sur dilution 3He-4He et conductance théorique de la membrane inexpliquées. Ordre de grandeur correct.

slide25

NEPJohnson à 300 mK

NEPphonon à 300 mK

II.4. Résultats des expériences

Estimations des bruits fondamentaux

NEPphonon à 100 mK

Les calculs prévisionnels correspondent aux attentes :

T = 100 mK 5 < P(pW) < 10  NEPtotale ≈ 310-17 W/

optimale

NEPJohnson à 100 mK

slide26

II.4. Résultats des expériences

Matrices #1 à #8

450 mK

550 mK

 Résistances anormalement élevées et R quand V0 !!!

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II.4. Résultats des expériences

Hypothèses concernant les anomalies de résistances observées.

1. Problèmes dans la chaîne d'acquisition de données.

2. Problème de marches au niveau des contacts entre électrodes et échantillons NbSi.

3. Problème de pollution en surface des couches entre 2 lithographies.

4. Problème de pollution du NbSi (ou autres couches ?) par la résine lors des lithographies.

  • Décisions :
  • Mesures au profilomètre
  • Photographies au MEB
  • Nouveaux échantillons

2200 Å

2500 Å

Matrices #3 et #8

 Problèmes de marches et de pollution semblent confirmés. Impossible de conclure.

slide28

II.4. Résultats des expériences

Matrices #10 à #13

180 mK

200 mK

220 mK

260 mK

205 mK

300 mK

330 mK

400 mK

Matrices #11 et 13 :

Électrodes Nb déposées par masque mécanique

Matrice #10 :

Tout en lithographie lift-off

slide29

II.4. Résultats des expériences

Bilan :

Résistance électrique à polarisation nulle et coefficients de température

Le modèle de conduction par saut décrit bien les R(V=0,T) :

Grande gamme de n, T0 et R0.

A conformes aux attentes.

R mieux que #1 à #8,

mais toujours trop grand.

Électrodes par masque mécanique : plus de divergences à V0

Découplage électron-phonon

Le modèle de découplage décrit bien les R(V≠0,T) :

Le coefficient de découplage :

ge-ph correspond exactement

aux prévisions.

Rq : Paramètre de puissance  non ajustable. Théorique :  = 5

slide30

Signal de polarisation

Résistance de polarisation

Amplificateur : FET

Sortie

Bolomètre

III.1. Étude d'une électronique multiplexée

Polarisation électrique, modulation et lecture d'un bolomètre

Transistors à effet de champ (FET) à 100 K idéal pour 1<R(MΩ)<100

Grille

Source

Drain

Bruits des FET

Grenaille

Johnson

modulation à f > fknee

 bruit blanc

1/f

slide31

Matrice de transistors

Commutateur

Matrice de bolomètres

N fils en sortie

N JFETs froids

Capacité

1nF

Polarisation en entrée

Rcharge

Rbolo

N tensions de commutation

III.1. Étude d'une électronique multiplexée

Lecture d'un grand nombre de détecteurs

Matrice N  M  N  M+2 fils Matrice 32  32  1026 fils

Problèmes : charge thermique, câblage,N  M amplificateurs froids.

Sans multiplexage

Multiplexage.

Solution retenue : multiplexage ligne/colonne (1 niveau)

Matrice N  M  N+M+2 fils  gain de place

1 Bolomètre 10 MΩ

 eJ = 7,43 nV/√Hz

Matrice 32  32  66 fils

 eS = 7,16 nV/√Hz

Matrice 64  16  82 fils

 eS = 5,06 nV/√Hz

Si Igs = 50 fA :

slide32

III.1. Étude d'une électronique multiplexée

Différents montages réalisés.

1) Polarisation résistive

Typiquement :

Rbolo= 10 MΩ

Cint = 1,6 nF

T = 100 mK

eJ,bolo= 7,4 nV/

VREF

Mesure de tension :

Parasites dus aux commutations :

Parasites dus à la polarisation : essentiellement eJ,charge> eJ,bolo

slide33

REF

VREF

III.1. Étude d'une électronique multiplexée

2) Polarisation capacitive

Charge périodique de Cint

Ajustement du courant pour chaque bolomètre indépendamment

Pas de dissipation de P à Tcryo

Cpol à Tcryo : minimiser les Ifuite

Amélioration par bouclage de l'ampli :

Mesure de Q qui équilibre le système. Pas sensible au gain. Bruit plat à haute fréquence

slide34

III.2. Mise en œuvre de l'électronique

Courants de fuite et tensions de commutation

Courants de fuite

I [nA]

 Les HEMTs (transistors AsGa / AlGaAs) ont des courants de fuite de quelques pA pour T  4K.

Température [K]

Nouveaux transistors de commutation : HEMTs QPC

Réalisés au LPN Marcoussis par Y.Jin

Premiers résultats HEMT QPC : Ifuite ≈ 50 fA  multiplexage de 32 bolomètres

HEMTs commerciaux actuels : Ifuite ≈ 200 fA  multiplexage de 8 bolomètres

slide35

III.2. Mise en œuvre de l'électronique

Partie froide (100mK) : commutateurs HEMTs et matrice de bolomètres

Matrice de bolomètre

Circuit imprimé des HEMTs avec capacités d'intégration CMS

Partie chaude (300K) : Boîtier "MUX" fixé sur le cryostat

Entrée

Références

Filtres

DAC

Suiveur

Von/VOff des HEMTs

Suiveurs

Sortie

Communication : circuit logique programmable

 Bas courants et bas bruits (20nV/√Hz)

slide36

III.2. Mise en œuvre de l'électronique

Montage complet sur le cryostat Diabolo

Tests de multiplexage à 100 mK sur résistances concluants ; amélioration de l'électronique pour minimiser les bruits.

Montage des nouveaux réseaux de HEMTs (QPC) dans les semaines à venir.

Tests d'absorption de bolomètres individuels NbSi à 100 mK avec corps noir encourageants : ( ≈ 80%).

Mesures de bruit sur les films de NbSi (TF des V(I))  Johnson, phonon, 1/f, pop-corn : en cours.

slide37

Conclusion

  • Instruments cosmologie et astrophysique : ~100 pixels, prochainement : > 1000 pixels.
  • Optique au 30m de l'IRAM : miroirs de champ, lentille froide.
  • Photométrie : = 1,2 / 2,1 mm, 64x64 / 35x35 pixels, ~10 pW/pixel,51017 W/Hz1/2.
  • Bolomètres avec thermomètres résistifs : A = 5..10, courant constant. Pél ≈ Pray.
  • NbxSi1-x : transition métal-isolant, conduction par sauts à portée variable, effet de champ électrique, découplage électron-phonon.
  • Microfabrication de couches minces : masques mécaniques - lithographie lift-off.
  • Tests des films à T ≈ 100 mK.bolomètres individuels : R≈ 10 MΩ, A ≈ 4, NEP ≈ 31017 W/Hz1/2 avecP ≈ 10 pW OK ; matrices : échec du tout lift-off, avec électrodes Nb par masques : R≈ 100 MΩ, A ≈ 4, ge-ph ≈ 100 W/K5/cm3 Trop impédant.
  • Multiplexage temporel : HEMTs. Grenaille N1/2eg < Johnson du bolomètre : 7,4 nV/Hz1/2.
  • Amplification : JFETs à 100 K., bruit blanc N1/2eg , eg = 3 nV /Hz1/2.