Lecture bolométrique à haute sensibilité pour la cosmologie observationnelle et l'exploration de l'univers lointain

par Ayoub Bounab

Thèse de doctorat en Conception des circuits microélectroniques, mycrosystèmes et nanosystèmes

Sous la direction de Martin Giard et de Laurent Ravera.

Soutenue en 2011

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    Après le succès des missions spatiales infrarouge de l'ESA Planck et Herschel (2009), le développement des détecteurs submillimétriques pixellisés en matrices de plusieurs milliers d'éléments ayant une très haute sensibilité est l'un des grands défis auxquels nous devons apporter des solutions pour répondre aux be- soins des missions scientifiques de l'astrophysique spatiale du futur comme SPICA (JAXA/ESA lancement 2020) ou COrE (ESA lancement > 2025). Dans le cadre du programme " Cosmic Vision " de l'ESA, l'instrument SAFARI a été se��lectionné pour une phase de pré-étude qui a débuté avec ce travail de thèse en 2007. SAFARI est un instrument européen pour le futur télescope spatial japonais SPICA dédié à l'observation dans le domaine infrarouge et submillimétrique. L'IRAP développe l'électronique de lecture des matrices de détecteurs de type supraconducteurs pour SAFARI. Le travail que j'ai réalisé dans le cadre de cette thèse concerne la chaîne de lecture en multiplexage fréquentiel d'une matrice de bolomètres supraconducteurs Transi- tion Edge Sensor (TES). Dans ce système, plusieurs détecteurs sont alimentés et lus avec la même paire de fils électrique, chacun étant associé à un résonateur qui lui est spécifique et qui le couple à la composante fréquentielle qui lui est propre. Ce travail s'est développé sur deux axes complémentaires. Un premier axe a consisté à dimensionner et fabriquer une maquette pour un sys- tème de lecture numérique spatialisable. J'ai défini et validé la totalité de la chaîne de lecture de l'instrument SAFARI en partant de la partie froide (détecteurs TES et amplificateur SQUID) jusqu'à l'électronique chaude de lecture (traitement numé- rique du signal). Après des tests de co-simulation analogique-numérique, les algo- rithmes numériques ont été implémentés sur une carte FPGA bas bruit et validés avec un simulateur de SQUID analogique qui fonctionne à température ambiante. Le deuxième axe du travail concerne la mise en place d'un banc de test démons- trateur de SAFARI à l'université de Cardiff. J'ai participé au dimensionnement de la chaîne de mesure complète qui comprend d'une part l'interfaçage TES, SQUID, Ampli bas bruit et l'électronique de lecture, et d'autre part la gestion du logiciel de polarisation, de mesure et d'acquisition des données. Le fruit de cette collaboration (toujours en cours depuis environ un an) a permis de caractériser électriquement et optiquement les bolomètres TES prototypes avec le système que j'ai développé. Après calibration, nous avons mesuré une sensibilité de 2 × 10-18 W racine de Hertz que ce soit en utilisant notre électronique avec multiplexage fréquentiel ou une lecture directe. Cette sensibilité présente un gain d'un facteur 10 à 100 par rapport à la sensibilité des bolomètres utilisés actuellement, par exemple à bord des instruments des missions Herschel ou Planck. Les calculs et les premiers tests faits par ailleurs par nos collaborateurs à Cambridge, Cardiff et SRON montrent que l'objectif de 2 - 3 × 10-19 W racine de Hertz est atteignable. Les détecteurs TES et leurs électronique de lecture et d'asservissement multiplexée en fréquence ont donc été sélectionnés comme chaîne de détection pour l'instrument SAFARI à bord de SPICA lors de la revue de sélection des détecteurs qui s'est tenue vi au SRON à Groningen en Juin 2010 et qui mettait en compétition les systèmes de détecteurs proposés par quatre équipes différentes.

  • Titre traduit

    Readout electronic for ultra-sensitive bolometers for cosmology and far universe exploration


  • Résumé

    We present the design and performance of a digital circuit developed for frequency domain multiplexed (FDM) readout of arrays of high sensitivity su- perconducting Transition Edge Sensors (TES) in the SAFARI spectro-imager on the SPICA infrared telescope. SPICA is a collaborative JAXA-ESA mission due to be launched around 2020. SPICA detectors are organized in 24 readout channels. Each channel consists of up to 160 TES detectors coupled to a single Superconducting Quantum Interference Device (SQUID) amplifier through individual LC filters which determine the AC readout frequency of each detector. The standard procedure to readout a SQUID current amplifier is by using negative feedback, thereby nulling its flux from which it derives its name : flux-locked loop (FLL). This circuit linearizes the sinusoidal SQUID response and enhances its rather limited dynamic range. The gain-bandwidth of a FLL is limited by the cable delay between SQUID amplifier and the warm electronics, which generates output and feedback for the FLL. The long cables on SPICA make a standard FLL unsuitable for for the feedback of signals modulated onto AC-carriers in the 1 - 3 MHz range. In our system, the required high gain at each carrier frequency is achieved by the correction for this delay using a digital Baseband feedback (BBFB) readout which monitors the amplitude of each carrier and synthesizes the correct wave phase to the SQUID feedback coil. The maximum achievable gain-bandwidth for BBFB depends on the spacing between the 160 carriers in each channel and has been designed such that it is sufficient for the rather slow detectors on SAFARI. We have integrated and tested BBFB with prototype of TES detectors and resonators. We have demonstrated a successful operation of BBFB with a single resonator and TES operating in its transition, the noise measurements are consistent with the expectation of 2 × 10-18 W root Hertz. The design has been made such that the sky backgrounds and telescope baffle dominate the sensitivity. The detector NEP requirement is set to 2 - 3 × 10-19 W root Hertz. Till now, the SAFARI TES team, led by the university of Cardiff and SRON have demonstrated a NEP of about 3 × 10-19 W root Hertz. Our readout system demonstrated the performances required to allow its selection for the SAFARI instrument.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (129 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 122-129

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2011 TOU3 0348
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