Le photomtre PACS Le fruit dune collaboration nationale
Le photomètre PACS Le fruit d’une collaboration nationale et internationale 10 11 2006 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS 1
La Mission HERSCHEL et ses instruments (1) • Observatoire dans les domaines de l’infrarouge lointain et submillimétrique - c’est une des « Pierres angulaires » de l’ESA (après SOHO, XMM, ROSETTA) • Objectifs : – Comprendre les premiers stades de la formation stellaire (nuages moléculaires) – Observer les galaxies à l’époque de leur formation (cartographie de la voûte céleste) • A bord : 3 instruments – HIFI : spectromètre hétérodyne (SRON-NL) – PACS : Spectromètre et Photomètre 57 -205 µm (MPE-D) – SPIRE : Spectromètre et Photomètre - 200 -607 µm (U. Cardif-UK) • Le CEA et en particulier le DAPNIA a collaboré au développement de 2 instruments : PACS et SPIRE • Lancement prévu en mai 2008 par une Ariane 5 pour une durée de vie de 3 ans après un parcours de 1, 5 millions de kilomètres (4 à 6 mois) pour rejoindre son orbite autour du point de Lagrange L 2 10 11 2006 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS 2
La Mission HERSCHEL et ses instruments (2) Miroirs primaire (3, 5 m) Et secondaire Charge utile Plateforme Électronique « chaude » Cryostat hélium Plans de détection 10 11 2006 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS 3
La Mission HERSCHEL • Un contexte industriel et scientifique international (sous le contrôle de l’ESA - maître d’ouvrage) : * Consortium PACS MPE *** ** « SCIENCE » « INDUSTRIE » * : Pay Load Module - Charge utile (cryostat & détecteurs) ** : Service Module - Plateforme (boîtiers électroniques) *** : Assembly Integration & Test 10 11 2006 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS 4
L’instrument PACS • PACS : « Photodetector Array Camera & Spectrometer » • Les Laboratoires impliqués constituent un «consortium» : MPE-Garching : responsable de l’instrument CSL-Liège : contrôle du spectromètre, … IFSI-Frascati : contrôle de l’instrument IAC-Tenerife : traitement scientifique • Et bien d’autres encore … (16 au total) • Au sein de ce consortium le SAp est responsable de la livraison du photomètre : – Le plan de détection (détecteurs dans une structure mécanique) – Le cryo-générateur et le thermométrie associée – L’électronique de gestion de l’ensemble 10 11 2006 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS 5
Le Photomètre de PACS : ses phases de développement • “Plan de dév. ” et time line - phases A, …. 10 11 2006 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS 6
Le Photomètre de PACS : une collaboration multiple Instrument PACS MPE-Garching Détecteur Bolomètre Simulateur DAPNIA/SIS Équipt livrable Photomètre PACS DAPNIA/SAp Étude conjointe Spéc. & livrable 10 11 2006 LETI Caractérisation du pilotage du cryo-générateur Cryo-générateur SBT DAPNIA/SEDI CAO Électronique DAPNIA/SEDI /SAp CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS Validation IP Space. Wire CSL-Liège 7
Un peu d’électronique … • L’architecture électrique (très schématisée) de l’instrument PACS Détecteurs du photomètre et cryo-générateur Unité de contrôle du photomètre Plateforme HERSCHEL Détecteurs du spectromètre et mécanismes Unité de contrôle du spectromètre & mécanismes Unité de contrôle de l’instrument Unité de traitement scientifique • Les fournitures du CEA sont : – Ph. FPU : système comprenant le plan de détection, le cryo-générateur et la thermométrie associée – BOLC : boîtier comprenant l’électronique de gestion des éléments du Ph. FPU – sans oublier le Sim. FPU : simulateur de Ph. FPU 10 11 2006 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS 8
Définition du système : une collaboration DAPNIA et MPE • C’est la 1 ière étape fondamentale du développement de l’instrument • L’objectif est de spécifier l’instrument sous forme de critères techniques à partir : – des besoins scientifiques – des contraintes de la plateforme et de l’environnement spatial – des contraintes de sûreté de fonctionnement – des contraintes technologiques • Permet d’initier les activités d’études de l’instrument • Permet de spécifier les besoins envers la plateforme sous forme de « budgets » – Exemple : Masse / consommation / volume doivent être estimés (en considérant des marges) très tôt avant même le commencement des études de détails • Collaboration étroite avec le « consortium » et principalement le MPE, responsable de l’instrument • La difficulté dans le cas de l’instrument PACS a été le choix tardif des partenaires industriels en charge de la plateforme : – Longue période sans rebouclage et finalisation des interfaces tardive 10 11 2006 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS 9
Le détecteur bolométrique : une collaboration LETI et DAPNIA (1) • Le détecteur comprend : à 300 m. K : – une matrice 16 par 16 de bolomètres – un étage de commutation (multiplexage, référence, …) – hybridation par billes d’indium à 2 K : – un étage d’amplification • Étude et développement au LETI • Technologie initialement développée pour l’instrument ISO • Mise en œuvre à 300 m. K par le SAp / LDS – Ajustement des paramètres fonctionnels : polarisation, séquence de lecture, … – Mesures des performances : « sensibilité » , bruit, bande passante – Tests d’évaluation • En environnement radiatif • Vieillissement - cyclage en température 10 11 2006 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS 10
Le détecteur bolométrique : une collaboration LETI et DAPNIA (2) GΩs • Contrainte sur la chaîne fonctionnelle du détecteur : – Répartition des fonctions pour : • Minimiser la dissipation thermique à froid ( ≤ 10 µW à 300 m. K) • Garantir les performances malgré les longueurs de harnais importantes MΩs 5 cm 5 mm Électronique « froide » kΩs 5 m Électronique « chaude » (BOLC) • Complet le photomètre c’est : – 10 matrices de bolomètres (avec l’électronique froide) - optimisées pour 2 longueurs d’onde (60 -130 µm et 130 -210 µm) - soit : 160 voies de mesures 95 polarisations ajustables 10 11 2006 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS 11
Le détecteur bolométrique : une collaboration LETI et DAPNIA (3) 10 11 2006 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS 12
La chaîne cryogénique : une collaboration SBT + DAPNIA • Utilisation des matrices de bolomètres à une température inférieure à 300 m. K pour atteindre les performances voulues • Un cryo-générateur (adsorption He 3 -He 4) permet d’obtenir cette température à partir des 2 K du cryostat à hélium • Étudié et développé par le Service des Basses Températures (initialement sous contrat avec l’ESA) • Équipement commun aux instruments PACS et SPIRE • Étude conjointe SAp et SBT de la chaîne de thermométrique dite « 300 m. K » – Précision de mesure : jusqu’à 10 µK – Dissipation de la sonde : inférieur à 3 n. W – Absence de couplage avec le détecteur • Concept exploité par le SBT pour la réalisation d’un produit industriel • Étude conjointe SAp et SEDI (aussi impliqué dans le développement de l’électronique de l’instrument SPIRE) de l’électronique de pilotage du cryo-générateur 10 11 2006 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS 13
L’IP Space. Wire : une collaboration CSL et DAPNIA • Protocole d’interface haute performance (jusqu’à 400 Mbits/s) spécifiée par l’Agence Spatiale Européenne sur la base de la norme IEEE-1355 En 2000 le protocole était accessible uniquement sous la forme d’un ASIC – pas de seconde source (approche risquée) – implémentation limitée à la norme IEEE-1355 – 1 ière version : pas totalement « debuggée » – interface orienté microprocesseur • L’IP ( « Intellectual Property » ) a été développée par le SAp/LEDES sous la forme d’une description en langage VHDL • Après implémentation dans un FPGA, l’IP a été transmisse au Centre Spatial de Liège pour validation : – couplage avec l’ASIC disponible (en tant que référence) – quelques ajustements ont été nécessaires depuis • Le standard Space. Wire s’impose progressivement dans le spatial – Reprise de l’IP sur les projets à venir (SIMBOL-X par exemple) : intégration à l’architecture LEON (IP SPARC) en cours et développement d’une carte PCI pour les équipements de tests 10 11 2006 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS 14
Quelques images : Les détecteurs et le cryo-générateur Connecteurs & filtres RF BOLC Détecteur bleu Voies analogiques (x 160) Interface vers PACS Polarisation & Horloges Détecteur rouge Cryo-générateur 10 11 2006 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS P = 47 W total soit 0, 1 W / voie Masse = 15 kg Volume = 30 l Convertisseurs DC/DC 15
Les équipements de test : • Tout au long du développement de l’instrument ces équipements ont un rôle important afin de minimiser les rendez-vous entre les sous-systèmes • Ils permettent de mettre en œuvre un sous ensemble de l’instrument de façon autonome : – simulateur d’interface avec le reste de l’instrument PACS - LTU – simulateur de détecteur : dérouler des tests sans mis en œuvre de moyens cryogéniques - simulateur de FPU • Ils doivent répondre aux critères suivants : – être disponible dès le 1 er modèle : l’étude doit commencer alors que l’instrument n’est pas totalement spécifié – pouvoir supporter toutes les configurations de l’instruments ( différents modèles) et de tests (qualification, …) – être livrables éventuellement (contrainte documentaire en particulier) • Le simulateur de FPU a été étudié et développé par le DAPNIA/SIS – 2 équipements ont été réalisés dont 1 livré au consortium PACS (MPE) 10 11 2006 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS 16
Les équipements de test : Simulateur de « PACS » SAp/AIV Simulateur de Ph. FPU SIS 10 11 2006 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS 17
La qualification : • Avant livraison l’instrument soumis à une campagne de qualification : Il subit un ensemble de tests reproduisant l’environnement du lancement et de l’exploitation : vibrations, chocs, vide / cyclage thermique et CEM Test de choc - Intespace Test de vide thermique - Interspace 10 11 2006 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS Test ESD conduits - SAp 18
La qualification : tests sous irradiation • Le comportement sous irradiation des électroniques « standard » est validé par design : – Les composants (ou famille de composants) choisis ont subi des tests d’irradiation – La dérive des paramètres est prise en compte dans l’étude – Ajout de protections : contre le latch-up par exemple • La situation est différente pour des éléments tels quels les détecteurs – De tests sous irradiations sont réalisés • Le bolomètres ont été testés : – En dose cumulée (Co 60) sur l’équipement COCASE – Sous flux de photons et alpha au TANDEM à Orsay 10 11 2006 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS 19
Conclusion : • Après plus de 6 années d’efforts le photomètre est maintenant livré au MPE pour intégration avec le reste de l’instrument • Et déjà on parle moins d’électronique …. ce qui est un bon signe • La boucle est bouclée : – Il y a quelques années les scientifiques exprimaient leurs besoins aux équipes techniques – Les équipes techniques passent maintenant le relais aux scientifiques 10 11 2006 CEA DSM Dapnia SAp - Christophe CARA - L'électronique de PACS 20
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