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Sub-mm/mm: Détection directe
Michel Piat Laboratoire AstroParticule et Cosmologie (APC) Université Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité
Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat
Détection sub-mm/mm
! Photométrie ou spectroscopie faible résolution
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SAFIRE
Herschel-SPIRE
COBE-FIRAS
Herschel-PACS
Planck-HFI
Expériences bolo:
Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat
Les R&D en détection directe
1. Besoins en astronomie submm/mm 2. Bolomètres
" CEA-LETI " DCMB " IRAP
3. KIDs 4. Architecture instrumentale
" QUBIC " BSD
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1. Le ciel en photométrie sub-mm/mm
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Effet SZ
Spectres de galaxies à différents redshift
VSGs!
BGs!
60 µm!
100 µm!
PAHs!
Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat
5 Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat
6 Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat
Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat 7
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2. Bolomètres ! Bolomètre « Spiderweb » (Caltech-
JPL) " Absorbeur en toile d’araignée
(Si3N4) ! e~1!m, l~5!m, maille~100!m ! Métalisation Au
" Thermomètre Ge NTD " Polarisation Sensitive Bolometer
(PSB)
! Performances: " 300mK: NEP = 1,5.10-17 W/Hz1/2
! = 11ms " 100mK: NEP = 1,5.10-18 W/Hz1/2
! = 1,5ms
~2"
L1 thermistor
Dual Analyzer (PSBs)
L2 thermistor
Détecteurs Boomerang, QUAD, BICEP, Planck-HFI Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat
Bruit de photon du ciel
! Photométrie: bolomètres limitées par le bruit de photon de la source observée " Amélioration de la sensibilité: matrice de bolomètres
! Spectroscopie: nécessité d’améliorer la sensibilité intrinsèque des bolomètres " Matrice pour augmenter la vitesse de cartographie
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(adaptée de J.M. Lamarre)
!
"#" = 4
!
"#" =100
!
"#" =104
Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat
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Matrices de bolomètres
Herschel/SPIRE Bolometer Array 160 Al/Ti supercond. bolometers for SPT (UCB)
Bolomètres à antennes (UCB)
8x8 phased array antenna bolometers(Caltech-JPL)
Contraintes pour la réalisation de matrices de bolomètres ! Procédé de fabrication totalement collectif
" Techniques issues de la microélectronique " Lien fort avec les centrales de technologie
! Multiplexage " En temps ou en fréquence " Nécessaire au delà d’une
centaine de pixels ! Simplification ! Cryogénie
! Intégration " Aspects systèmes fondamentaux
" Nécessité d’une étude système complète en laboratoire
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R&D matrice de bolomètres en France: CEA-LETI ! Développements à l’origine pour Herschel PACS ! Bolomètres semiconducteurs Si implanté
" Lecture par transistor CMOS " Réalisation LETI " Gamme 80!m – 210!m " 10-16W.Hz-0.5 à 300mK
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thermomètres
silicon grid+ absorber
reflector
0.3K
400 µm
>50 µm
Indium bumps
Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat
CEA DSM Dapnia SAp
II. CEA Bolometers – Working principles
Detection layer seen from the readout circuit point of view
640
µm
Cre
dit C
EA
Cre
dit C
EA
Cre
dit C
EA
Cre
dit C
EA
Bolometer thermometer on suspended absorbing grid
Reference thermometer on interpixel wall / heat sink
Indium bump pad
2 µm x 5 µm Suspension rod
Thermometer in mesa configuration
Indium bump
Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat
Du détecteur au module PACS
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Après PACS ! TES, bolomètre à antenne, KIDs? ! Augmentation du nombre de pixels par
module (16x16 # 32x32) ! Amélioration de la sensibilité
" Diminution de la température de fonctionnement # 50mK
" Diminution de la conductance et de la capacité calorifique
! Conférer aux pixels des propriétés spectroscopiques: " Par exemple en ayant une cavité résonnante
variable dans le pixel
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SAFARI sub array
PACS sub array
Poster: !Developpment of high sensitivity bolometer at CEA in the sub-mm domain, V. Revéret!
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3.4x10-19 W/Hz(1/2)
Performances pour SAFARI Matrice PACS @ 50mK
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- Reducing the thermal conductance - Increase length, reduce section
- Reducing the heat capacity - pixel, thermometer reduction
=> We could in principle reach NEP = 1!10-19 W/Hz1/2
Augmentation de la sensibilité
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R&D matrice de bolomètres en France: DCMB ! Développements SZ+CMB ! Collaboration IN, APC, CSNSM,
IAS, IEF, LPSC, LPN, L2E ! Bolomètres semiconducteur
NbSi " Multiplexage HEMT " 2.10-16W.Hz-0.5 à 300mK
! Bolomètres supraconducteur NbSi " Multiplexage à SQUID + ASIC SiGe " 10-16W.Hz-0.5 à 350mK
! Gamme: 1mm-3mm ! Réalisation IEF-MINERVE+CSNSM
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Olimpo11 structuré
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Points forts
! NbSi (CSNSM) " Alliage original " Supra ou semi-conducteur
! Mux HEMTs à 100mK (IN) " Bolomètres semiconducteurs
! ASIC SiGe à 4K (APC) " Microélectronique cryogénique " Mux SQUIDs " Autres applications
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5mm
2mm
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DCMB: 204 bolometer arrays with bow tie antennas ! 2 antenna sizes, 2 orientations ! High impedance NbSi
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1 2 3
4 5 6
Polarised signal measurement
2
1
3
4-6
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Poster: Instruments et détecteurs pour
l’astronomie millimétrique, IN!
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Matrice de 23 bolomètres supraconducteurs ! 1ère réalisation IEF-IAS
(thèse Y. Atik, B. Belier) " Membranes pleines (type
Olimpo): NEP~10-16W.Hz-0.5
! Lecture via ASIC SiGe V2 et une architecture thermo-mécanique (APC)
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SQUIDs (Star Cryoelectronics)
ASIC
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Performances
! Bruit en courant cohérent avec le modèle " Pas de fit ici!
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! NEP=10-16W.Hz-0.5
(membrane pleine) ! Pas de bruit en excès!
(thèse Joseph Martino)
Posters: !- Implication de l’IEF-Minerve dans DCMB !et BSD, B. Bélier!!- Matrices de bolomètres supraconducteur, !DCMB!
R&D matrice de bolomètres en France: IRAP
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! Développements pour SPICA/SAFARI (2019?) " Collaboration SRON, Cardiff, IRAP,
PTB, Cambridge, RAL, NUIM
! Bolomètres supraconducteur " Spec: 2.10-19W.Hz-0.5 à 50mK " SRON, Cardiff/Cambridge
! IRAP: électronique de lecture " FDM " Base band feedback avec décimation
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3. KIDs ! Développement pour observations SZ à l’IRAM 30m ! Lumped Element Kinetic
Inductance Detectors " Multiplexage fréquentiel
intrinsèque " ~7.10-17W.Hz-0.5 à 100mK
! Gamme: 1mm-2mm ! Réalisation IN, PTA, IRAM,
IEF et SRON " Simplicité de réalisation
par rapport aux bolomètres
! Sensibilité aux rayons cosmiques
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Posters: !- Instruments et détecteurs pour l’astronomie !millimétrique, IN!!- LEKIDs for NIKA, M. Rösch IRAM-IN!
Sub-mm/mm: détection directe - M. Piat
……
One week day-time observations at the 30-m IRAM telescope
NEFD # 300 mJy$s0.5
Design: SRON Fabrication: Delft
Electronics: MpI Bonn
Bands : 1.25 ‒ 2.05 mm Pixels : 144 x 2
Field-of-view : 2 arc-min Tbase = 70mK
A. Monfardini, A. Benoit et al., ApJS 194, Issue 2, id. 24 (2011)
4. R&D autour des détecteurs directs: QUBIC ! Développement du premier
interféromètre bolométrique pour la recherche des modes B du CMB " Interférométrie: immunité aux effets
parasites instrumentaux " Bolomètres: sensibilité
! Nouveau concept # R&D " Démonstration de la méthode " Beam combiner " Cornets platelets, switch RF
! Phase de réalisation: 2011 - fin 2013 " Demande ANR en cours
! Observations Dôme C: 2014 ! Astropart. Phys. 34, 705 (2011) arXiv:1010.0645
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4. R&D autour des détecteurs directs: BSD ! Réalisation de détecteurs et composants
micro-onde supraconducteurs pour la mesure de la polarisation du CMB " Technologie Nb " 70GHz-350GHz " Composants: Antennes, lignes de
transmission, filtres, déphaseurs, switch, coupleur/diviseur de puissance
! Collaboration APC, CSNSM, IAS, IEF, IN, LERMA, LPSC, L2E
! Financements: GIS P2I, ANR JC, CNES ! Premiers résultats: ligne de transmission
supra avec antennes
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OMT planaire (Adnan Ghribi)
Structure d’étalonnage: Mesure S21 à 4K (Milan Biccoca)
Poster: !Implication de l’IEF-Minerve dans DCMB et BSD, B. Bélier!
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Détection directe: conclusions
! Objectifs des R&D: préparation des futures missions spatiales " Développement de matrices de détecteurs " Amélioration de la sensibilité pour la spectroscopie
sub-mm " Composants RF associés
! Fort lien de ces R&D avec les centrales de technologie " LETI, IEF-MINERVE, PTA
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Merci à Louis Rodriguez, Martin Giard, Alessandro Monfardini, Benoit Bélier!
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