Tests dun dtecteur infrarouge pour le spectrographe du

Tests d’un détecteur infrarouge pour le spectrographe du satellite SNAP/JDEM Pierre-élie CROUZET Directeur de thèse : Anne EALET Avec Cédric CERNA, Eric Priéto 1

Plan 1. 2. 3. 4. 5. L’énergie noire Le spectrographe de SNAP Les détecteurs infrarouge (IR) H 2 RG Le détecteur IR H 2 RG#40 Etude du mode de lecture et de la rejection des cosmiques Pierre-élie CROUZET 2

1. L’énergie noire • 1998 : observations de Supernovae expansion accélérée de l’Univers due à l’Énergie noire. On ne connaît pas la nature physique de cette énergie ! Pierre-élie CROUZET 3

1. SNAP (Super. Nova Acceleration Probe) • Déterminer la nature de l’Énergie noire par l’observations de supernovae (SN) et de mesure de cisaillement gravitationnel. • SN lointaines • Peu de flux : télescope de 2 m • Décalage en longueur d’onde (z=1. 7) : domaine infrarouge (IR) spatial • Courbes de lumières des SN • Imageur visible et IR • Caractérisations des SN lointaines • Spectrographe basse résolution » Spectre de la galaxie et de la SN Spectrographe à intégrale de champ Pierre-élie CROUZET 4

2. Le spectrographe de SNAP • Identification et classification des SN • Peu de flux basse résolution R=100 • Spectre de la SN et de la galaxie Slicer • Calibration spectro-photométrique au 1% Compact et léger (20 x 30 x 10 cm) Permet de prendre une SN et la galaxie hôte en même temps Pupil & slit mirror Prism Slicer Collimator Pierre-élie CROUZET Entrance point Detector Camera 5

3. Spécifications du détecteur pour le spectrographe de SNAP Les spécifications de sciences sont dérivées sur le détecteur : Longueur d’onde 0. 4 -1. 7µm (cut off à 1. 7µm) Bruit total <8 e- rms (dépend de l’électronique et de la stratégie de lecture) Efficacité quantique >40% for 0. 4< <0. 6 ; >60% for 0. 6< <1. 0 ; >85% for 1. 0< Pierre-élie CROUZET 6

3. Détecteur infrarouge H 2 RG : géométrie Hg. Cd. Te bump bonded sur un CMOS : détecteur hybride 7

3. Détecteur infrarouge H 2 RG : fonctionnement V MUX Unit cell • Détecteur dernière génération • • Un MOSFET “source follower” Le multiplexeur adresse et lit individuellement chacun des pixels avec un mode de lecture non destructif Plusieurs modes d’acquisition possibles • Compagnie Teledyne Détecteur H 2 RG Taille des pixels (µm), nb de pixel 18*18µm, 2 K*2 K Fréquence de lecture 100 k. Hz ou 5 Mhz Matériau actif Hg. Cd. Te reset gate Vout Cell Drain detector Connection en indium Dsub Pierre-élie CROUZET 8

3. Spectrographe et détecteur IR • But : calibration spectro-photométrique du spectrographe au pour 1% • Contrôler les performances optiques connaitre les caractéristiques du détecteur IR Pierre-élie CROUZET 9

4. Le détecteur IR H 2 RG#40 Détecteur prototype calibré aux U. S. A et reçu en France • Calibration du détecteur – Gain de conversion – Réponse intra-pixel • Le détecteur IR H 2 RG#40 dans un prototype de spectrographe Pierre-élie CROUZET 10

4. Le détecteur IR H 2 RG#40 : gain de conversion • Facteur qui relie les e- reçus aux ADU de l’électronique. • Basé sur une statistique de Poisson • Correction avec la capacité inter-pixel (IPC). Gain sans IPC 2, 97 e/adu Gain avec IPC 1, 89 e /adu Pierre-élie CROUZET • Analyse des données prises en Février 2007 à l’Université de Michigan 11

4. Le détecteur IR H 2 RG#40 : réponse intra-pixel Le spectrographe de SNAP est sous échantillonné fente du spectro est imagée sur 1 pixel connaître la réponse intra-pixel du détecteur Schéma optique de l’appareil de mesure des réponses intrapixel Exemple de réponse intra pixel d’un pixel à 1300 nm Coupe de la réponse intra pixel moyenne Moyenne sur tous les pixels 12 Données prisent à l’Université de Michigan, Ann Arbor (USA)

4. Le détecteur H 2 RG#40 dans la campagne infrarouge du démonstrateur • Accord U. S. A France : reçu en mars 2007 • Développement d’un logiciel d’acquisition des images (octobre 2007) • Intégration du détecteur et de son électronique dans le démonstrateur et le cryostat (novembre 2007) • Prise de données ~7000 images (novembredécembre 2007) • Réduction de données dans le démonstrateur (mars- juillet 2008) Pierre-élie CROUZET 13

Le démonstrateur But : Reproduire exactement le concept optique du spectrographe de SNAP pour valider les performances optiques. • Aligné au CPPM mécaniquement à 10µm près • Campagne visible et infrarouge achevée Pierre-élie CROUZET 14

Campagne infrarouge : DAQ Lab. View du démonstrateur • Envoie des commandes et retour des status de chacun des élements : monochromator • Détecteur H 2 RG#40 • Steering mirror • Photodiode • Monochromateur • Slow contrôle Pierre-élie CROUZET 15

Campagne infrarouge : intégration de l’électronique de lecture… • Électronique de lecture développée (pour OPERA) à l’IPNL • Cartes analogique faible bruit (4 e- seule) et digital (transmission de données) • Intégrée au plus près du détecteur Cryostat Cartes électroniques Alimentation triple stabilisée Pierre-élie CROUZET 16

Campagne infrarouge : … et du détecteur • Environnement E. S. D (antistatique), • Salle blanche Pierre-élie CROUZET 17

Campagne infrarouge : prise de données • Cuve de 0. 6 m 3 • 110 k<T<140 k • ~7000 images : novembredécembre 2007 • Acquisition automatisée grâce au DAQ Pierre-élie CROUZET 18

Réduction de données d’un pixel dans le démonstrateur • Mode d’acquisition dans le démonstrateur • Evaluation du signal • • Pixels de référence Hot pixels Carte d’efficacité quantique Gain de conversion • Evaluation de l’incertitude associée au signal Pierre-élie CROUZET 19

Mode d’acquisition : Fowler lecture non destructive du détecteur accumulation des charges Fowler(6) 1 burst de 6 frames Intérêt : Fowler (N) réduit le bruit d’un facteur ~1/sqrt(N) Pierre-élie CROUZET Schubnell et al. NIR 20 infrared detectors for SNAP (2006)

Réduction de données d’un pixel dans un Fowler • Etapes : 1. Correction des dérives des tensions d’alimentation 2. Création d’une seule image à partir d’un Fowler(N) 3. Conversion ADU e 4. Application des cartes d’efficacité quantique Pierre-élie CROUZET 21

1 : Pixel de référence • • • non sensible au flux incident Nécessaire pour corriger les éventuels dérives dans les tensions d’alimentation. À soustraire à chaque pixel de signal soustraction Pierre-élie CROUZET 22

2 -3 : Création d’une seule image à partir d’un Fowler(N) 2 burst de N frames M 2=Moyenne burst 2 M 1=Moyenne burst 1 D=M 2 -M 1 1 seule image Pierre-élie CROUZET 23

5 -6 : Gain de conversion, efficacité quantique • Conversion ADU e- G=1. 89 e/ADU – gain : 1. 89 e-/ADU • QE – Cartes établie par l’Université de Michigan sur le H 2 RG#40 À 1100 nm http: //gargamel. physics. lsa. umich. edu/ – De 900 nm à 1700 nm – Bonne carte ou carte interpolée pour chaque longueur d’onde Pierre-élie CROUZET 24

Traitement des incertitudes Pour chaque pixel l’incertitude associée au signal I est : Incertitude sur l’accroissement entre chaque frame d’un même burst Incertitude sur le pixel de réference Pierre-élie CROUZET Terme Poissonnien inter-burst 25

Traitement des incertitudes Rapport S/N sur le pixel maximum pour une PSF située au centre du slicer PSF : image d’une source ponctuelle monochromatique Pixel de flux maximum Lambda(nm) S/N du pixel maximum 900 41 1100 84 1300 94 1400 31 Pierre-élie CROUZET 26

Démonstrateur : résultats • Calibration en longueur d’onde : – Reconstruction de la position de la PSF en fonction de la longueur d’onde Courbes de dispersion Calibration au nanomètre dans l’ IR Réf : M-H. Aumeunier A. Ealet, E. Prieto, C. Cerna, P-E. Crouzet ar. Xiv: 0811. 3442 • Calibration en flux : en cours Pierre-élie CROUZET 27

5. Etude du mode de lecture et de la rejection des cosmiques 1. Bruit et mode de lecture du spectrographe en vol 2. Traitement d’un pixel du détecteur Pierre-élie CROUZET 28

1. Bruit et mode de lecture • Le mode Fowler(N) permet de réduire le bruit d’un facteur 1/sqrt(N) Pierre-élie CROUZET Schubnell et al. NIR 29 infrared detectors for SNAP (2006)

1. Bruit et mode de lecture • Spécification de bruit atteintes à 110 K pour le H 2 RG, avec un Fowler 200 -500 et 3000 s de temps d’exposition 1 pose de T=3000 s ou 3 poses de T=1000 s • Bruit de lecture dominant Long temps de pose : Requirements requirements • faible bruit mais Smith et al. Noise and zero point drift in 1. 7 um cutoff detectors for SNAP (2006) Pierre-élie CROUZET • pixels touchés par des rayons 30 cosmiques!

Cosmiques! Flux(e-/pxl/s) 0 Integration time(s) 10000 Bruit de lecture (e-) 0 44% des pixels touchés Taux : 5 hit/s/cm 2 Pierre-élie CROUZET simulation 31

2. Réduction d’un pixel avec soustraction de cosmiques 1. Mode de lecture du spectrographe et rejection des cosmiques 2. Reconstruction des pentes (flux) Pierre-élie CROUZET 32

Cosmiques : mode de lecture • Mode de lecture : up the ramp signal – Lecture continue du détecteur Pierre-élie CROUZET cosmique Le mode de lecture up the ramp permet de détecter les hit de cosmiques 33

Cosmiques : reconstruction des pentes • Ajustement linéaire de chaque pente locale par minimisation de Khi 2 avec un set de poids optimisé en fonction du S/N (Fixen et al, NICMOS) • Reconstruction de la pente par combinaison des pentes locales Pierre-élie CROUZET 34

Status et perspectives : • Algorithme de rejection : ok • Reconstruction des pentes : en cours • Test sur des données réelles à Caltech (janvier 2009) 35

Conclusion • Satellite SNAP – dédié à la découverte de la nature de l’énergie noire doté d’un imageur et d’un spectrographe fonctionnant dans l’IR • Détecteur IR du spectrographe, bas bruit, nouvelle génération – Dans le démonstrateur • Réduction des données en mode Fowler (calibration en longueur d’onde ar. Xiv: 0811. 3442) – Dans le spectrographe embarqué • • Choix du détecteur optimal Optimisation des modes de lecture Soustraction de cosmiques dans les longs temps de pose Analyse de données avec de long temps de pose janvier 2009 Pierre-élie CROUZET 36

SPARE Pierre-élie CROUZET 37

Après avoir réduit un pixel, on passe au calcul de son incertitude : Traitement de l’incertitude d’un pixel Pierre-élie CROUZET 38

Cosmiques : Algorithme de détection S(e-) 1. 2. 3. Distrib pentes locales. : moyenne et rms seuil = moyenne + 4 x rms Detection et rejection quand pente locale>seuil Jusqu’a ce que plus aucun cosmic ne soit détecté . . . cosmiques . . . . frame nb Exemple : • étape 1 : mean~0 ; rms~100 • seuil 1 ~ 400 • étape 2 : 1 cosmique détecté Distribution des pentes locales Di cosmics • étape 3 : mean~0 ; rms~20 • seuil 2 ~ 80 • étape 4 : 1 cosmique détecté • étape 5 : mean~0 ; rms~4 • seuil 3 ~ 16 • plus de cosmique Pierre-élie CROUZET 39

Capacité inter-pixel (IPC) • Sous estimation de la variance à cause de la capacité inter pixel donc sur estimation du gain de conversion. • Nouvelle estimation de la variance (Moore and all) : l k D[k, l] 40

Verification : saturation, linéarité • Saturation – Temps d’exposition optimal pour ne pas saturer et récolter le max. de photon aucun pixel n’a atteint la saturation de 65535 adu • Linéarité – Pour les long temps d’exposition (3, 4 ou 5 bursts), le dernier burst peut saturer le dernier burst non saturé sera utilisé pour calculer le signal • Verification de linéarité : fit par une droite de chaque moyenne de chaque burst et calcul du coefficient de régression linéaire R • R>0. 9 sur tout les fit Non saturation et linéarité observées sur tout les pixels Pierre-élie CROUZET 41

4 : Hot pixels • • • But : enlever les pixels plus brillants que la PSF sur chaque image Hot pixels constants au cours du temps carte unique de hot pixel Carte établie une fois pour toute à partir d’un Fowler (6) : 12 frames Pierre-élie CROUZET 42

Mode d’acquisition et exemple Mode d’acquisition : Fowler lecture non destructive du détecteur accumulation des charges zoom PSF @ 1600 nm 1 burst de 6 frames Dernière frame brut Pierre-élie CROUZET 43

Cosmic : efficiency Integ. time (s) 10000 Read noise (e-) 0 Nb pixel 100*100 Initial flux (e-/pxl/s) 0 100% d’efficacité! efficiency Pierre-élie CROUZET 44

Cosmic : efficiency Integ. time (s) 10000 Read noise (e-) 4 Nb pixel 100*100 Initial flux (e-/pxl/s) 0 Coupure à 4*σ = 22 e- Pierre-élie CROUZET 45

Cosmic : efficiency Integ. time (s) 10000 Read noise (e-) 6 Nb pixel 100*100 Initial flux (e-/pxl/s) 0 Coupure à 4*σ = 34 e- Pierre-élie CROUZET 46

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