Conception dune camra bolomtrique pour la radioastronomie millimtrique

Conception d'une caméra bolométrique pour la radioastronomie millimétrique à grand champ Soutenance de thèse de Samuel LECLERCQ Président : Laurent PUECH (UJF) Rapporteur : Maurice CHAPELLIER (CEA) Rapporteur : François PAJOT (IAS) Jury : Directeur : Alain BENOIT (CRTBT) Codirecteur : François-Xavier DESERT (LAOG) Examinateur : Karl-Friedrich SCHUSTER (IRAM)

Plan de l'exposé I. Besoins astrophysiques et spécifications instrumentales. II. Caméra bolométrique et thermomètres en Nb. Si. III. Électronique multiplexée. Conclusion.

I. 1. Intérêt des ondes millimétriques pour l'astrophysique. Longueurs d’ondes ( [m]) et fréquences ( [GHz]) du spectre électromagnétique 109 [m] 106 103 1 Microondes Ondes Radio [GHz] 10 -9 10 -6 10 -3 0, 001 1 Infrarouges 1000 10 -6 UV 10 -9 Rayons X 106 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 109 10 -12 10 -15 Gammas Cosmiques 1012 1015

I. 1. Intérêt des ondes millimétriques pour l'astrophysique. L'effet Sunyaev-Zeldovich Interactions : photons du rayonnement fossile et électrons du gaz ionisé intergalactique. B (10 -20 W/m 2/Hz/sr) Corps noir à TCMB = 2, 725 K 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

I. 1. Intérêt des ondes millimétriques pour l'astrophysique. Effet de décalage vers le rouge des spectres des galaxies distantes Sondage de l’univers lointain (GHz)300000 3000 300 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 30

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 Q Rayons d'incidence non nulle Rayons d'incidence nulle Plan focal du télescope Axe de visée Éléments optiques du télescope Lentille équivalente au télescope �������� : � 260" (0, 07°) Résolution typique : 10" 530 taches de diffraction dans le champ Champ au plan focal : d = 37 cm

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 Q Rayons d'incidence non nulle Lentille froide Plan image : champ ≈ 10 cm Rayons d'incidence nulle Axe de visée Lentille de champ Lentille équivalente au télescope �������� : � 260" (0, 07°) Résolution typique : 10" 530 taches de diffraction dans le champ Champ au plan focal : d = 37 cm

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

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 : Sources : Télescope et optique : Rayonnement Fossile : TA = 250 K TT = 280 K TRF = 2, 73 K Puissance sur le détecteur Ek = étendue de faisceau Sk. k = a 2 ej = émissivité = 1 - ti ti = transmission Bj = brillance ( corps noir) tt = 0, 9 Transmissions des éléments tfiltres ≈ 0, 2 tlentilles = 0, 95 ta : dépend de . . .

I. 3. Photométrie au télescope de 30 mètres de diamètre de l'IRAM. Opacité de l'atmosphère ������� au zénith Transmission : ta = exp(-t ) t Fluctuation d'humidité (nuages) bruit de ciel Choix du matériau pour la lentille Polyéthylène : t(5 cm) = t. I (1 r. I )2 = 85 % [GHz] Transmission des filtres Limites fondamentales : bruit de photon Ondes millimétriques dans une tache de diffraction : NEPP ≈ NEPB

Spécifications instrumentales pour une utilisation optimale du 30 m Bilan photométrique pour 1 pixel Longueur d'onde (mm/GHz) 1, 2 / 250 2, 1 / 143 Nombre de pixels (ΩCV = 60 arcmin 2) 62 62 35 35 Taille des pixels (mm) (DCV = 9, 2 cm) 1, 5 2, 6 Puissance totale (p. W) 6, 6 4, 6 P galaxie 1012 L : flux de 1 m. Jy (10 -17 W) 0, 62 0, 26 Dynamique Ptot/Pmin 107 5, 4 2, 5 10 15 Limite e détection à 3 en 1 h (m. Jy) 0, 3 0, 4 Temps pour détecter 1 galaxie de 1 m. Jy avec 4 pixels (min) 20 30 NEP photons 1 mm vp (10 -17 W/ NEFD (m. Jy ) ) Sensibilité de la matrice : Meilleurs instruments actuels : 1 galaxie haut redshift en 1 heure 1 galaxie haut redshift en plus de 10 heures

II. Les détecteurs Bolomètres : détection d'énergie par mesure de température Adaptés au ondes millimétriques. Nécessité de refroidir (cryostat 100 m. K) Caractéristiques : Sensibilité Lien thermique NEP Collecteur à antenne [Lukanen] Spider. Web Ge [Bock] Matrices : Ex : Archeops ; Planck Réalisation collective Sensibilité pixel / taille Facteur de remplissage (Fr) Homogénéité Échantillonnage Vitesse de cartographie MAMBO II [Kreysa] Cornets : avec : Fr < 40%, Sans Fr > 90%, mais ! lumière parasite

II. 1. Les bolomètres Principe de fonctionnement du bolomètre idéal T Rayonnement Thermomètre : A I Absorbeur : C t Lien thermique : G Bain : Tcryo Temps de réponse Mesure : V = R(T) I Absorbeur et thermomètre isothermes : Pél = R(T) I 2 Conductance dynamique sensibilité Coefficient de température Thermomètres résistifs a < 0 conduction par sauts : A = 5… 15 (1 M … 100 G ) Thermomètres supraconducteurs a > 0 transition supra-normal : A = 200… 1000 (1 m … 10 )

II. 1. Les bolomètres Bruits fondamentaux • Fluctuations thermodynamique du bolomètre thermiques expressions similaires • Bruit Johnson dans le thermomètre (électrons) 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 = 1 p. W ; Tcryo = 100 m. K NEPInstrum = 10 -17 W/Hz 1/2

II. 2. Intérêt du Nbx. Si 1 -x pour la thermométrie résistive Transport électrique dans les Isolants d'Anderson E Transition métal-isolant � q=Eij Ej Ei r 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.

II. 2. Intérêt du Nbx. Si 1 -x pour la thermométrie résistive Conduction électrique sous polarisation 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 Effet de Champ électrique E localisation des électron) = 5 ; ge-ph ≈ 100 W/K 5/cm 3 Découplage électron-phonon (coefficient de couplage) Découplage supplémentaire ( substrat, absorbeur, membrane fuite thermique) Mesures de films de Nb. Si (Marnieros 1997) : n = 0, 65 r 0 = 5 10 -4 Ω m T 0 /1 K = (26 - 3 x/1%)2 Influence de la composition et du recuit, problèmes d'homogénéité des couches. Si x 1 = 8, 2% et x 2 = 8, 1% à T = 100 m. K : r !

II. 2. Microfabrication Objectif : Réaliser une matrice de bolomètres Substrat : wafer (Si) Membranes (Si 3 N 4) Électrodes (Nb) Pistes électriques (Au) Thermomètres Nbx. Si 1 -x Isolation (Si. O 2) Collecteurs : antennes (Nb) Absorbeurs : shunt (Bi) Ponts thermiques (ouvertures)

II. 2. Microfabrication Coévaporation de Nb et de Si avec masques mécaniques Méthode mise au point au CSNSM par L. Dumoulin et S. Marnieros Évaporateur : 2 canons à électrons Évaporation simultanée du Nb et du Si Vitesse de dépôt : v. Max= 2Å/s. Régulation des quantités évaporées. Platine Substrat (wafer) Masque Platine tournante Homogénéisation du mélange Inconvénient des masques : • Conception des masques (dépôts de Ni) • Contraintes de centrage des différentes couches (plots Nb. Si et électrodes) Taille minimale des motifs à 20 m. Nb Si Nbx. Si 1 x Wafer Si

II. 2. Microfabrication Lithographie en lift-off 1) étalement 2) insolation 3) révélation 5) lift-off Après tous les dépots : Au ≈ 1500 Å Ti ≈ 50 Å Ir ≈ 50 Å Nb ≈ 500 Å Si. O ≈ 250 Å Nb. Si ≈ 1000 Å 4) dépôt Évaporation par effet joule

II. 2. Microfabrication Bolomètres individuels (CSNSM) Nbx. Si 1 x x = 8, 2 % e = 1000 Å l = 600 m d = 300 m Si 3 N 4 (membrane) Au/Cr (lien thermique) Bi (absorbeur) Au/Cr

II. 2. Microfabrication Matrices de thermomètres Nb. Si #1 à #8 (L 2 M puis CEETAM) 36 pixels Nb. Si Au Si 300 m 600 m #10 à #13 (CRTBT/CSNSM-CEETAM) 4 pixels 1 cm

II. 3. Expériences mises en œuvre pour les tests électriques Principe de la mesure Excitation Entrée VE Rs RC I Charge Rp Vd Diviseur RI V VS Signal Sortie Inconnue Boîtier de polarisation Tests à basses température dans des cryostats : • Hélium 3 pompé (CSNSM) 300 m. K • Dilution hélium 3 - hélium 4 (CRTBT) 100 m. K Montages : • Générateur de tension • Boîtier de polarisation • Matrice • Amplificateurs • Convertisseurs A/N • Acquisition (MAC)

II. 4. Résultats des expériences 7 Bolomètres individuels Films Nb. Si : x = 8% d = 300 m; l = 600 m; e = 0, 1 m 130 m. K R(V) pour plusieurs T 145 m. K 160 m. K R(V=0, T) 190 m. K 215 m. K 230 m. K 280 m. K 650 m. K Coefficients de température Campagne He 3 Dilution Modèle CSNSM Échantillon n R (kΩ) à 300 m. K -A à 300 m. K R(MΩ) à 100 m. K -A à 100 m. K 1à 6 0, 3 - 0, 5 300 2, 1 BM 10 0, 28 820 1, 3 BM 10 0, 5 550 2, 5 22 4, 3 0, 65 545 3, 5 150 7, 1 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).

II. 4. Résultats des expériences Bolo. M 10 dilution, plusieurs n, Gg et Gm Gm Si 3 N 4 théorique Bolo. M 10 hélium 3 pompé Fuite thermique des bolomètres et conductances dynamiques Échantill on b Gf (n. W/Kb) 1à 6 2, 1 -2, 8 1, 7 - 2, 3 BM 10 1, 6 1, 3 BM 10 Global M(Si 3 N 4) 2, 7 2, 4 15 - 20 11 - 16 3, 0 6 Théorie M(Si 3 N 4) Le modèle de fuite thermique décrit bien les R(V≠ 0, T) : Différence entre mesures sur cryostat 3 He pompé, mesures sur dilution 3 He-4 He et conductance théorique de la membrane inexpliquées. Ordre de grandeur correct.

II. 4. Résultats des expériences Estimations des bruits fondamentaux NEPJohnson à 300 m. K NEPphonon à 100 m. K NEPphonon à 300 m. K Les calculs prévisionnels correspondent aux attentes : NEPJohnson à 100 m. K T = 100 m. K 5 < P(p. W) < 10 NEPtotale ≈ 3 10 -17 W/ optimale

II. 4. Résultats des expériences Matrices #1 à #8 450 m. K 550 m. K Matrice x (%) T (m. K) Rthéo (MΩ) Rmes/Rthéo #3 8 500 - 600 0, 130 - 0, 080 6 -3 50 - 40 #8 8, 2 3500 0, 005 7 1400 Résistances anormalement élevées et R quand V 0 !!!

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 Nb. Si. 3. Problème de pollution en surface des couches entre 2 lithographies. 4. Problème de pollution du Nb. Si (ou autres couches ? ) par la résine lors des lithographies. Décisions : 2200 Å • Mesures au profilomètre • Photographies au MEB • Nouveaux échantillons Matrices #3 et #8 Problèmes de marches et de pollution semblent confirmés. Impossible de conclure. 2500 Å

II. 4. Résultats des expériences Matrices #10 à #13 180 m. K 200 m. K 220 m. K 260 m. K 205 m. K 330 m. K Matrice #10 : Tout en lithographie lift-off 300 m. K 400 m. K Matrices #11 et 13 : Électrodes Nb déposées par masque mécanique

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, T 0 et R 0. A conformes aux attentes. R mieux que #1 à #8, mais toujours trop grand. Électrodes par masque mécanique : plus de divergences à V 0 Matrice R (MΩ) à 300 m. K -A à 300 m. K R(MΩ) à 100 m. K -A à 100 m. K #11 2, 1 - 3, 0 2, 8 - 3, 6 230 - 440 5, 4 - 6, 9 #13 6, 0 - 8, 8 4, 2 - 4, 4 160 - 300 2, 5 - 2, 7 x=8, 2 % x=8 % 0, 06 0, 5 2, 2 3, 5 2, 3 125 4, 6 7, 1 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 Matrice ge-ph (W/K 5/cm 3) Ge-ph ( W/K 5) Gd_e-ph (100 m. K) (n. W/K) #11 70 - 105 1 - 1, 6 0, 5 - 0, 8 #13 85 - 90 1, 25 - 1, 4 0, 6 - 0, 7 Théorie 100

III. 1. Étude d'une électronique multiplexée Polarisation électrique, modulation et lecture d'un bolomètre Signal de polarisation Transistors à effet de champ (FET) à 100 K idéal pour 1<R(MΩ)<100 Résistance de polarisation Amplificateur : FET Grille Sortie Bolomètre Source Drain Bruits des FET Johnson 1/f Grenaille modulation à f > fknee bruit blanc

III. 1. Étude d'une électronique multiplexée Lecture d'un grand nombre de détecteurs Sans multiplexage Matrice N M+2 fils Matrice 32 1026 fils Problèmes : charge thermique, câblage, N M amplificateurs froids. Multiplexage. Solution retenue : multiplexage ligne/colonne (1 niveau) Matrice N M N+M+2 fils gain de place Matrice de bolomètres 1 Bolomètre 10 MΩ e. J = 7, 43 n. V/√Hz Polarisation en entrée Matrice 32 66 fils e. S = 7, 16 n. V/√Hz Matrice 64 16 82 fils e. S = 5, 06 n. V/√Hz Rcharge Matrice de transistors Commutateur Capacité 1 n. F N fils en sortie N JFETs froids Rbolo Si Igs = 50 f. A : N tensions de commutation

III. 1. Étude d'une électronique multiplexée Différents montages réalisés. 1) Polarisation résistive VREF Mesure de tension : Parasites dus aux commutations : Parasites dus à la polarisation : essentiellement e. J, charge > e. J, bolo Typiquement : Rbolo = 10 MΩ Cint = 1, 6 n. F T = 100 m. K e. J, bolo = 7, 4 n. V/

III. 1. Étude d'une électronique multiplexée 2) Polarisation capacitive Charge périodique de Cint REF VREF 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

III. 2. Mise en œuvre de l'électronique I [n. A] Courants de fuite et tensions de commutation Courants de fuite Température [K] Les HEMTs (transistors As. Ga / Al. Ga. As) ont des courants de fuite de quelques p. A pour T 4 K. Nouveaux transistors de commutation : HEMTs QPC Réalisés au LPN Marcoussis par Y. Jin Premiers résultats HEMT QPC : Ifuite ≈ 50 f. A multiplexage de 32 bolomètres HEMTs commerciaux actuels : Ifuite ≈ 200 f. A multiplexage de 8 bolomètres

III. 2. Mise en œuvre de l'électronique Partie froide (100 m. K) : commutateurs HEMTs et matrice de bolomètres Matrice de bolomètre Circuit imprimé des HEMTs avec capacités d'intégration CMS Partie chaude (300 K) : Boîtier "MUX" fixé sur le cryostat Entrée Suiveurs Filtres Sortie Références Suiveur DAC Von/VOff des HEMTs Communication : circuit logique programmable Bas courants et bas bruits (20 n. V/√Hz)

III. 2. Mise en œuvre de l'électronique Montage complet sur le cryostat Diabolo Tests de multiplexage à 100 m. K 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 Nb. Si à 100 m. K avec corps noir encourageants : ( ≈ 80%). Mesures de bruit sur les films de Nb. Si (TF des V(I)) Johnson, phonon, 1/f, pop-corn : en cours.

Conclusion • Instruments cosmologie et astrophysique : ~100 pixels, prochainement : > 1000 pixels. • Optique au 30 m de l'IRAM : miroirs de champ, lentille froide. • Photométrie : = 1, 2 / 2, 1 mm, 64 x 64 / 35 x 35 pixels, ~10 p. W/pixel, 5 10 17 W/Hz 1/2. • Bolomètres avec thermomètres résistifs : A = 5. . 10, courant constant. Pél ≈ Pray. • Nbx. Si 1 -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 m. K. bolomètres individuels : R ≈ 10 MΩ, A ≈ 4, NEP ≈ 3 10 17 W/Hz 1/2 avec P ≈ 10 p. W OK ; matrices : échec du tout lift-off, avec électrodes Nb par masques : R ≈ 100 MΩ, A ≈ 4, ge-ph ≈ 100 W/K 5/cm 3 Trop impédant. • Multiplexage temporel : HEMTs. Grenaille N 1/2 eg < Johnson du bolomètre : 7, 4 n. V /Hz 1/2. • Amplification : JFETs à 100 K. , bruit blanc N 1/2 eg , eg = 3 n. V /Hz 1/2.