1 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) 2 Plan de l'exposé I. Besoins astrophysiques et spécifications instrumentales. II. Caméra bolométrique et thermomètres en NbSi. III. Électronique multiplexée. Conclusion. 3 I.1. Intérêt des ondes millimétriques pour l'astrophysique. Longueurs d’ondes ([m]) et fréquences ([GHz]) du spectre électromagnétique 109 [m] 106 103 10-3 1 Microondes Ondes Radio [GHz] 10-9 10-6 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 T 5 sur tout le ciel. Fluctuations : T 310 Besoins : grand champ de vue, grande sensibilité 109 10-12 10-15 Gammas Cosmiques 1012 1015 4 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/m2/Hz/sr) 400 Corps noir à TCMB = 2,725 K 350 300 250 Corps noir à TCMB déformé par l'effet SZ 200 150 100 50 0 0 B (MJy/sr) 100 200 300 400 500 600 700 800 700 800 (GHz) 0.04 Variation relative d'intensité 0.03 0.02 0.01 0 Cartographie des amas de galaxies -0.01 Besoins : grand champ de vue, grande sensibilité, plusieurs longueurs d'ondes -0.02 0 100 200 300 400 2 mm 1 mm 500 600 (GHz) 5 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 30000 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 6 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 7 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 8 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 : Puissance sur le détecteur TA = 250 K TT = 280 K TRF = 2,73 K M Pj Ek . j ( ). ti ( ).B j ( ,T .d m i [W Effectif (puissance d' une tache) : a = 1 Ek = étendue de faisceau Sk.Wk = a 2 Pixel (4 par tache à mi - puissance) : a = 0,16 j = émissivité = 1- ti ti = transmission Bj = brillance ( corps noir) tt = 0,9 Transmissions des éléments tfiltres ≈ 0,2 tlentilles = 0,95 ta : dépend de ... 9 10 I.3. Photométrie au télescope de 30 mètres de diamètre de l'IRAM. Opacité de l'atmosphère au t zénith Transmission : ta = exp(-t) Fluctuation d'humidité (nuages) bruit de ciel Choix du matériau pour la lentille Polyéthylène : t(5cm) = tI (1 rI )2 = 85 % [GHz] Transmission des filtres Limites fondamentales : bruit de photon 2 2 n 2 (n n n n 2 NEPPhoton NEPPoi sson NEPBoson 2 [W Hz Ondes millimétriques dans une tache de diffraction : NEPP ≈ NEPB Spécifications instrumentales pour une utilisation optimale du 30m Bilan photométrique pour 1 pixel Longueur d'onde (mm/GHz) 1,2 / 250 2,1 / 143 Nombre de pixels (ΩCV = 60 arcmin2) 6262 3535 Taille des pixels (mm) (DCV = 9,2 cm) 1,5 2,6 Puissance totale (pW) 6,6 4,6 P galaxie 1012 L : flux de 1 mJy (10-17 W) 0,62 0,26 Dynamique Ptot/Pmin 107 107 NEP photons 1 mm vp (10-17 W/ Hz ) NEFD (mJy s ) 5,4 2,5 10 15 Limite e détection à 3 en 1h (mJy) 0,3 0,4 Temps pour détecter 1 galaxie de 1mJy avec 4 pixels (min) 20 30 Sensibilité de la matrice : Meilleurs instruments actuels : 1 galaxie haut redshift en 1 heure 1 galaxie haut redshift en plus de 10 heures 11 12 II. Les détecteurs Bolomètres : détection d'énergie par mesure de température Adaptés au ondes millimétriques. Nécessité de refroidir (cryostat 100 mK) Caractéristiques : Sensibilité Lien thermique NEP Collecteur à antenne [Lukanen] SpiderWeb 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 13 II.1. Les bolomètres Principe de fonctionnement du bolomètre idéal T Rayonnement Thermomètre : A I T Absorbeur : C Lien thermique : G Bain : Tcryo G t ( dE dT b b C Pray(t Pél (t G T (t) Tcryo dt dt Absorbeur et thermomètre isothermes : Pél = R(T)I2 C Temps de réponse t Gd Mesure : V = R(T)I Pray dPfuit e sensibilité Conductance dynamique Gd dT Coefficient de température 1 dR 1 K [ R dT A d ln R d lnT Thermomètres résistifs < 0 conduction par sauts : A = 5…15 (1MW…100GW) Thermomètres supraconducteurs > 0 transition supra-normal : A = 200…1000 (1mW … 10W) 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 NEPFondam kB TcryoPray Intérêt des très basses T Bolomètre pas idéal autres bruits (environnement, amplificateur, excès du thermomètre, etc.) [ 2 2 2 2 Bruit total : NEPTOT W / Hz NEPPhoton NEPJohnson NEPPhonon NEPAut res Objectif : NEPInstrument ≤ NEPPhoton/3 Bolomètre idéal optimisé P Pray * él * d ( G Tcryo Pray Tcryo NEPJohnson ≥ 0,5 NEPInstrum Pray = 1pW ; Tcryo = 100mK NEPInstrum = 10-17 W/Hz1/2 14 15 II.2. Intérêt du NbxSi1-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 : T0 n (T ) 0 exp T 1/4 n 1 Très bons thermomètres : Grande sensibilité à très basse température (A ~ 3 à 10). Si R ≈ 10 MW : 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 NbxSi1-x pour la thermométrie résistive Conduction électrique sous polarisation non nulle Optimisation du signal : V A RP T T Polarisation électrique P = VI Sensibilité sans dimension (A ~ 3 à 10 pour les I.A.) 2 phénomènes limitent la polarisation électrique des I.A. : e ≈ 10 nm (longueur de E localisation des électron) Effet de Champ électrique E T0 (E) T0 (E 0) 1 2kB T ( Pél W ge ph Te Tph Découplage électron-phonon = 5 ; ge-ph ≈ 100 W/K5/cm3 (coefficient de couplage) Découplage supplémentaire ( substrat, absorbeur, membrane fuite thermique) n T (E) b b 0 (Te ) 0 exp Ptot G fuit e Tph Tcryo Te ( Mesures de films de NbSi (Marnieros 1997) : n = 0,65 0 = 510-4 Ωm T0 /1K = (26 - 3x/1%)2 Influence de la composition et du recuit, problèmes d'homogénéité des couches. Si x1 = 8,2% et x2 = 8,1% à T = 100 mK : ! 16 II.2. Microfabrication Objectif : Réaliser une matrice de bolomètres Substrat : wafer (Si) Membranes (Si3N4) Électrodes (Nb) Pistes électriques (Au) Thermomètres NbxSi1-x Isolation (SiO2) Collecteurs : antennes (Nb) Absorbeurs : shunt (Bi) Ponts thermiques (ouvertures) 17 18 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 : vMax= 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 NbSi et électrodes) Taille minimale des motifs à 20m. Nb Si NbxSi1x Wafer Si 19 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 SiO ≈ 250 Å NbSi ≈ 1000 Å 4) dépôt Évaporation par effet joule II.2. Microfabrication Bolomètres individuels (CSNSM) NbxSi1x x = 8,2 % e = 1000 Å l = 600 m d = 300 m Si3N4 (membrane) Au/Cr (lien thermique) Bi (absorbeur) Au/Cr 20 II.2. Microfabrication Matrices de thermomètres NbSi #1 à #8 (L2M puis CEETAM) 36 pixels NbSi Au Si 300 m 600 m #10 à #13 (CRTBT/CSNSM-CEETAM) 4 pixels 1 cm 21 22 II.3. Expériences mises en œuvre pour les tests électriques Principe de la mesure Rs RC Excitation Entrée VE 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 mK • Dilution hélium 3 - hélium 4 (CRTBT) 100 mK Montages : • Générateur de tension • Boîtier de polarisation • Matrice • Amplificateurs • Convertisseurs A/N • Acquisition (MAC) 23 II.4. Résultats des expériences 7 Bolomètres individuels n R(V=0,T) = Ro exp((To/T) ) : o=données, x=ajustement, +=incertitudes Résistance (V/I) fonction de la tension 7 Films NbSi : x = 8% d = 300 m; l = 600 m; e = 0,1 m 6 7 6 5 5 4 4 R(V=0,T) 3 130 mK R(V) pour plusieurs T 145 mK 160 mK 3 190 mK 215 mK 1 230 mK 280 mK 650 mK 0 2 4 2 2 1 140 160 180 200 220 T [mK] 240 260 280 300 Coefficients de température Campagne He3 Dilution Modèle CSNSM Échantillon n R (kΩ) à 300mK -A à 300mK 1à6 0,3 - 0,5 300 2,1 BM10 0,28 820 1,3 BM10 0,5 550 0,65 545 6 |V| (mV) 8 10 12 R(MΩ) à 100mK -A à 100mK 2,5 22 4,3 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). 24 II.4. Résultats des expériences Conductance dynamique de la fuite thermique 10 1 BoloM10 dilution, plusieurs n, Gg et Gm 10 Fuite thermique des bolomètres et conductances dynamiques Gm Si3N4 théorique BoloM10 hélium 3 pompé 0 Échantill on b Gf (nW/Kb) 1à6 2,1-2,8 1,7 - 2,3 BM10 1,6 1,3 BM10 Global M(Si3N4) 2,7 2,4 15 - 20 11 - 16 3,0 6 Théorie M(Si3N4) 10 -1 100 150 200 250 T (mK) 300 350 400 Le modèle de fuite thermique décrit bien les R(V≠0,T) : Différence entre mesures sur cryostat 3He pompé, mesures sur dilution 3He-4He et conductance théorique de la membrane inexpliquées. Ordre de grandeur correct. 25 II.4. Résultats des expériences NEP Johnson x 10 -16 Estimations des bruits fondamentaux 5.5 x 10 -17 Johnson et NEP phonon phonon 18 16 14 NEP et NEP NEPJohnson à 300 mK 12 10 8 5 6 NEPphonon à 100 mK 4.5 NEPphonon à 300 mK 4 2 0 4 0 5 15 10 20 P (pW) 25 30 35 40 3.5 Les calculs prévisionnels correspondent aux attentes : 3 2.5 T = 100 mK 5 < P(pW) < 10 NEPtotale ≈ 310-17 W/Hz optimale NEPJohnson à 100 mK 2 1.5 0 5 10 15 20 P (pW) 25 30 35 40 26 II.4. Résultats des expériences Matrices #1 à #8 Résistance (V/I) fonction de la tension R(V=0,T) = Ro exp((To/T)n) 7 25 6.5 6 20 5.5 15 5 4.5 450 mK 10 4 3.5 5 550 mK 3 0 350 2.5 2 0 2 4 6 V (mV) 8 400 450 T [mK] 500 550 10 Matrice x (%) T (mK) Rthéo (MΩ) Rmes (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 V0 !!! 600 27 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 NbSi. 3. Problème de pollution en surface des couches entre 2 lithographies. 4. Problème de pollution du NbSi (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 28 II.4. Résultats des expériences Matrices #10 à #13 Résistance (V/I) fonction de la tension Résistance (V/I) fonction de la tension 50 50 45 45 40 40 35 35 30 30 25 25 20 20 15 15 205 mK 10 0 0 5 10 V (mV) 200 mK 220 mK 260 mK 10 330 mK 5 180 mK 300 mK 5 15 Matrice #10 : Tout en lithographie lift-off 20 0 0 400 mK 10 20 30 V (mV) 40 50 Matrices #11 et 13 : Électrodes Nb déposées par masque mécanique 29 II.4. Résultats des expériences Bilan : RMesuré RMesuré 5 10 pour T 1K ... 100 200 pour T 100 mK RThéori que RThéori que 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, T0 et R0. A conformes aux attentes. R mieux que #1 à #8, mais toujours trop grand. Électrodes par masque mécanique : plus de divergences à V0 Matrice R (MΩ) à 300mK -A à 300mK R(MΩ) à 100mK -A à 100mK #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/K5/cm3) Ge-ph (W/K5) Gd_e-ph (100mK) (nW/K) #11 70 - 105 1 - 1,6 0,5 - 0,8 #13 85 - 90 1,25 - 1,4 0,6 - 0,7 Théorie 100 30 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 Source Bolomètre Drain Bruits des FET Johnson eJ 4kB TRds 1/f e1/ f 1 gm [V / Hz Grenaille 2 f e a 1 knee N f f H Ids2 [V / Hz iS 2qe I gs modulation à f > fknee bruit blanc [A / Hz 31 III.1. Étude d'une électronique multiplexée Lecture d'un grand nombre de détecteurs Sans multiplexage Matrice N M N M+2 fils Matrice 32 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 eJ = 7,43 nV/√Hz Polarisation en entrée Matrice 32 32 66 fils eS = 7,16 nV/√Hz Matrice 64 16 82 fils eS = 5,06 nV/√Hz Rcharge Matrice de transistors Commutateur Capacité 1nF N fils en sortie N JFETs froids Rbolo Si Igs = 50 fA : N tensions de commutation 32 III.1. Étude d'une électronique multiplexée Différents montages réalisés. 1) Polarisation résistive Typiquement : Rbolo = 10 MΩ Cint = 1,6 nF T = 100 mK eJ,bolo = 7,4 nV/ Hz VREF Mesure de tension : Rc Rbolo I pol Parasites dus aux commutations : Vinduit Vg Cgs Cint V pol Rc et Vmes I pol Rbolo Iindui t Vg Cgs f lect Parasites dus à la polarisation : essentiellement eJ,charge > eJ,bolo 33 III.1. Étude d'une électronique multiplexée 2) Polarisation capacitive Charge périodique de Cint I pol REF dQpol dV pol C pol dt dt VREF Ajustement du courant pour chaque bolomètre indépendamment Pas de dissipation de P à Tcryo Cpol à Tcryo : minimiser les Ifuite C pol Cint ; I pol Qpol f lect C pol V pol f lect t R bol oC pol Vmes(t) Veq 1 e 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 Courants de fuite et tensions de commutation I [nA] 100 [nA] Courants de fuite 10 1 0,1 CF 739 GaAs FET (MESFET) CF 739 GaAs FET ATF-21186 GaAs FET FHX35LG HEMT (TEGFET) 0,01 Les HEMTs (transistors AsGa / AlGaAs) ont des courants de fuite de quelques pA pour T 4K. Température [K] 0,001 270 230 190 150 110 70 T [K] 30 Nouveaux transistors de commutation : HEMTs QPC Réalisés au LPN Marcoussis par Y.Jin Premiers résultats HEMT QPC : Ifuite ≈ 50 fA multiplexage de 32 bolomètres HEMTs commerciaux actuels : Ifuite ≈ 200 fA multiplexage de 8 bolomètres 34 35 III.2. Mise en œuvre de l'électronique Partie froide (100mK) : commutateurs HEMTs et matrice de bolomètres Matrice de bolomètre Circuit imprimé des HEMTs avec capacités d'intégration CMS Partie chaude (300K) : 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 (20nV/√Hz) III.2. Mise en œuvre de l'électronique Montage complet sur le cryostat Diabolo Tests de multiplexage à 100 mK 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 NbSi à 100 mK avec corps noir encourageants : ( ≈ 80%). Mesures de bruit sur les films de NbSi (TF des V(I)) Johnson, phonon, 1/f, pop-corn : en cours. 36 37 Conclusion • Instruments cosmologie et astrophysique : ~100 pixels, prochainement : > 1000 pixels. • Optique au 30m de l'IRAM : miroirs de champ, lentille froide. • Photométrie : = 1,2 / 2,1 mm, 64x64 / 35x35 pixels, ~10 pW/pixel, 51017 W/Hz1/2. • Bolomètres avec thermomètres résistifs : A = 5..10, courant constant. Pél ≈ Pray. • NbxSi1-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 mK. bolomètres individuels : R ≈ 10 MΩ, A ≈ 4, NEP ≈ 31017 W/Hz1/2 avec P ≈ 10 pW OK ; matrices : échec du tout lift-off, avec électrodes Nb par masques : R ≈ 100 MΩ, A ≈ 4, ge-ph ≈ 100 W/K5/cm3 Trop impédant. • Multiplexage temporel : HEMTs. Grenaille N1/2eg < Johnson du bolomètre : 7,4 nV /Hz1/2. • Amplification : JFETs à 100 K., bruit blanc N1/2eg , eg = 3 nV /Hz1/2.