Etude de la spatialisation des matrices de détecteurs

Proposition de sujet de thèse pour 2015
Sujet Etude de la spatialisation des matrices de détecteurs supraconducteurs pour
l'astronomie submillimétrique et X
Responsable CNES Olivier LAMARLE
Laboratoire(s) d'accueil
envisagé(s)
INSTITUT D'ASTROPHYSIQUE SPATIALE
LABORATOIRE DE L'ACCELERATEUR LINEAIRE
Responsable dans le
laboratoire
François PAJOT, IAS, bât. 121, Université Paris Sud, 91405 ORSAY
[e-mail] / 01 6985 8567
François COUCHOT, LAL, bât. 200, Université Paris Sud, 91898 ORSAY
[email protected]3.fr / 01 6446 8940
Cofinanceur envisagé Thalès Alenia Space ou Labex P2IO
Profil du candidat Master 2 AA IdF, Master 2 PNC, Master 2 Electronique pour les Télécoms et les
Microcapteurs (masters cohabilités Paris Sud), ou équivalents. Un cursus d’ingénieur en
mesures physiques ou en microélectronique sera un plus. Le candidat devra avoir le goût de
l’instrumentation et la motivation pour le développement des expériences spatiales.
Description succincte du
sujet : contexte de
l’expérience spatiale,
méthodologie appliquée,
résultats attendus.
Le développement en France de matrices de détecteurs supraconducteurs pour l’astronomie
submillimétrique et millimétrique a débuté il y a une dizaine d’année. Cet effort soutenu en
particulier par le CNES et le CNRS a porté ses fruits puisque deux programmes
d'instrumentation au sol à leadership français vont utiliser plusieurs détecteurs d’un kilopixel
réalisés par l'ensemble des laboratoires qui ont mené de façon concertée ces
développements. Deux technologies ont été portées à maturité : (1) les bolomètres à
thermomètre supraconducteur (TES) à base de NbSi, employés dans l'instrument QUBIC
(Mesure de modes B de la polarisation du CMB), qui sera déployé au Dôme C fin 2016) et
(2) les KIDs (Kinetic Inductance Detectors), employés dans l'instrument NIKA2 (caméra
millimétrique pour le 30m de l'IRAM), qui sera installé sur le télescope fin 2015.
A ce jour, le satellite Planck a mis en œuvre les détecteurs bolométriques les plus sensibles
dans l'espace. L'interaction des particules cosmiques avec les détecteurs de Planck/HFI ainsi
qu'avec les étages sub-kelvin de la chaine cryogénique, est à l'origine d'une des principales
perturbations des mesures. Des études approfondies ont été menées à postériori pour
comprendre la physique de ces interactions. L’IAS envisage une participation majeure à la
mission de l’ESA CoRE+ (mesure de la polarisation du fond cosmologique micro-onde,
candidate M4). Nous proposons d’étudier de façon similaire les matrices dont nous
disposons actuellement en vue de leur utilisation dans l’espace. Cette étude s’appliquera
également à la chaine de détection de SPICA/SAFARI (spectro-imageur du futur
observatoire submillimétrique spatial, candidate M5) et aux matrices de microcalorimètres à
TES pour l’instrument X-IFU d’Athena, retenue comme mission L2 de l’ESA.
L’étude sera réalisée sur une matrice à TES, qui pourra être dans un premier temps celle de
QUBIC, et ensuite un modèle développé dans le cadre de X-IFU. Les mesures seront
effectuées dans le cryostat à 100 mK SYMBOL de l’IAS avec des particules alpha.
L’élaboration d’un modèle numérique physique de la matrice servira de base à l'optimisation
des architectures et technologies employées. La réalisation d'une matrice modifiée dans la
centrale de technologie MINERVE de l’IEF sera proposée, en collaboration avec le CSNSM
spécialiste de l’architecture des TES à base de NbSi. Le passage à une caractérisation sur
accélérateur à des énergies allant jusqu’à plusieurs centaines de MeV sera étudié et préparé
en collaboration avec les études similaires menées pour les détecteurs de type KIDs à
Grenoble.
Le travail nécessitera l'installation et l'exploitation de chaines de détection à basse
température en ce qui concerne son volet expérimental, et d'autre part la mise en œuvre de
modèles thermiques et de modèles d'interaction en physique des particules tel que COMSOL
et GEANT4. Ce programme de thèse s’inscrit dans l'effort mené par l'IAS pour la phase
amont de R&D sur les matrices de détecteurs pour les projets futurs de l'astronomie
submillimétrique et X, et dans les priorités de la prospective du CNES.