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R&D Matrice de bolomètres La collaboration DCMB

R&D Matrice de bolomètres La collaboration DCMB. Michel Piat, Philippe Camus, Eric Bréelle pour la collaboration DCMB. Contenu. Bolomètres composites aux très basses températures Motivations: La polarisation du Fond Diffus Cosmologique l’exemple de SAMPAN La collaboration DCMB

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Presentation Transcript

  1. R&D Matrice de bolomètresLa collaboration DCMB Michel Piat, Philippe Camus, Eric Bréelle pour la collaboration DCMB

  2. Contenu • Bolomètres composites aux très basses températures • Motivations: • La polarisation du Fond Diffus Cosmologique • l’exemple de SAMPAN • La collaboration DCMB • Prospectives

  3. 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

  4. Principe d’un bolomètre • Statique: • Dynamique: • Non linéaire: dG/dT~T et C~T Compromis entre réponse et constante de temps Faible C requise  basses températures

  5. Basses températures requises 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: Responsivité [V/W]

  6. 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) B. Leriche, P. Granier, J.M. Lamarre, J.P. Torre, J.P. Crussaire, F. Langlet, M. Chaigneau, M. Piat Symbol: banc de test Planck-HFI à 100mK (IAS Orsay)

  7. Optimisation d’un bolomètre • Minimisation de la NEP: • Avec des hypothèses raisonnable: • Dans ces conditions:

  8. Cap techno 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: soit

  9. 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) Ti 1.5mmX1.5mmX40nm A=1000

  10. 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

  11. POLARISATION Rpol>>Rb SIGNAL Rb AMPLIFICATEUR Electronique de lecture • Bolomètre semiconducteur: • Rb # MΩ • Adaptation d’impédance: JFET froid en suiveur • Bolomètre supraconducteur: • Rb # 100mΩ • SQUID: Superconducting QUantum Interference Device

  12. ~2 L2 thermistor L1 thermistor Dual Analyzer (PSBs) 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 Détecteurs Planck-HFI

  13. Performances obtenues avec les spiderwebs Bruit de photon dans les canaux Planck-HFI • 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

  14. Performances des bolomètres composites 5mm • 1) Données Sider Web, 8 poutres de Si3N4 1mmX4mmX1mm • 2) Leivo (APL, 72 (11), 1998) : 4 poutres Si3N4 100mmX25mmX200nm • 3) Leivo (id) : membrane pleine de 0.4mmX0.4mmX200nm • 4) Membrane CSNSM (NIMA 444 (2000) 419-422) : Si3N4 5mmX5mmX100nm • 5) LETI [30] : 4 poutres Si 0.7mmX5.9mmX5mm • 6) LETI [30] : 4 poutres texturées Si 0.7mmX4.7mmX5mm

  15. Températures de bruit de bolomètres NEP: puissance équivalent de bruit (W.Hz-0.5) : efficacité globale : largeur de bande Température de bruit d’un bolomètre: Tbruit = NEP/(2kB) Hypothèse: sensibilité limitée par le background (BLIP) et photon shot noise • 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

  16. Singularité: Big-Bang Univers opaque (diffusion Thomson) Surface de dernière diffusion Univers transparent 2. Le Fond Cosmologique Micro-onde (FCM) COBE (1989) T=(2.728±0.004)K ∆T/T≈10-5 à 7° WMAP (2002)

  17. E > 0 E < 0 Q < 0 U = 0 Q > 0 U = 0 B < 0 B > 0 Q = 0 U < 0 Q = 0 U > 0 Les modes de polarisation du FCM • Origine: • Diffusion Thomson au moment du découplage • Requiert un rayonnement anisotrope incident à l’électron • 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.

  18. Température : ~100µK RMS Mode E : ~4µK RMS Mode B : < 300nK RMS 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 • Mode B jamais détecté jusqu’à présent • Dépend de r=T/S • r < 0.38 à 68% CL (Leach & Liddle 2003)

  19. (Hu et al. 2002) ~100µK RMS Mode E ~4µK RMS Mode B ~300nK RMS 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. Planck, 14 mois d’intégration: r=0.7 Mesure marginale des modes B…

  20. Mesure des modes B • Expériences possibles: • Erreurs de mesure des modes B: • Requiert • Beaucoup de détecteurs • Long temps d’intégration • Expériences sol et satellite r=0.1 (stage DEA B. Quenez)

  21. SAMPAN 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

  22. The ultimate sensitivity from A. Lange “Detectors for future CMB observations”

  23. 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 ?)

  24. La collaboration DCMB

  25. Structure bolométrique • composite classique • antenne Conception antennes HFSS (LPSC) Microfabrication (IEF-MINERVE) Couches minces (Csnsm) Nanofab (Crtbt) HEMT (LPN) • Senseur Haute Impédance • Senseur (Csnsm) • MUX Hemt (LPN) • Electronique (Crtbt) • Senseur TES • Senseur (Csnsm) • Squid (APC/Csnsm/IEF) • Electronique(APC/CESR) Martin-Puplett (Crtbt/LPSC) • Caractérisation • Réponse fréquence/polarisation • Optique • Croystat optique à dilution • Diabolo (CRTBT) • Caméra IRAM 30m (CRTBT) • Symbol (IAS) Olimpo IRAM

  26. Structure classique NbSi 100X400mm e = 100 nm Matrice Olimpo 23 pixels, membranes de 3 mm NEP < 5.10-16 W/Hz1/2@300mK

  27. Couche dissipative (Bi) Antenne (Nb) Couche isolant (SiO) SiN, membrane NbSi thermomètre 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…

  28. Matrice de bolomètres à antenne 204 pixels • Gravure du NbSi • Réalisation / gravure profonde pour membranes • Isolation antennes / thermomètres avec SiN / SiO2

  29. Calculs EM ( HFSS ) • conception antennes large bande • optimisation du shunt dissipatif • sélectivité à la polarisation • validation expérimentale Collaboration DCMB - d’après O.Guillaudin (LPSC)

  30. Transistor switches Vmeas Multiplexage haute impédance 8-16:1 Réseau de HEMT (QPC) (Yong Jin – LPN)

  31. NbSi supraconducteur • Echantillon 10x10 • Acquisition via AVS47 • Première caractérisation • Mise au point du banc de test • Mesures SQUID en préparation • Bruits intrinsèques?

  32. Lecture basse impédance: SQUID • Réalisation de SQUID DC • IEF/CSNSM/APC • Objectif: implantation a proximité des bolomètres

  33. 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

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

  35. Optique froide (Cardiff) Cornets Archeops: Prototype:

  36. 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…

  37. 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 Berkeley Caltech/JPL

  38. Perspectives: Cold Electrons Bolometer (CEB) Performances attendues : Adapté aux faibles puissances (10 fW) NEP~10-19 W/Hz1/2 T0 = 100-300 mK t = 10ms (L.Kuzmin, Chalmers UT)

  39. 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

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