Transcript Matrices de bolomètres supraconducteurs - CCT

SAMPAN
DCMB
Matrices de
bolomètres
supraconducteurs
Eric Bréelle, Michel Piat, Fabrice Voisin
Laboratoire AstroParticule et
Cosmologie (APC)
Damien Prêle, Gerard Sou, Geoffroy
Klisnick, Michel Redon (LISIF)
Benoît Bélier, Nicolas Marsot (IEF)
1
SAMPAN
Sommaire
DCMB
1. SAMPAN et son architecture de
détection
2. La filière supra de la collaboration
DCMB
3. Vers une architecture évoluée
CNES - Atelier Electronique Cryogénique
2
SAMPAN
SAMPAN
DCMB
• Mini-satellite post Planck
Mesure des fluctuations en
polarisation du rayonnement
fossile à 3K
2005-06: Etude de phase 0
financée par le CNES
• Avec Alcatel et Air Liquide
• Proposition à l’ESA en cours
pour lancement 2015-20…
CNES - Atelier Electronique Cryogénique
3
SAMPAN
Caractéristiques
SAMPAN
• Matrice de bolomètres
20000 détecteurs pour
diminuer le bruit de
photon
Refroidis à T<300mK
DCMB
Pray
Pél
T
Thermomètre
Absorbeur
Pfuite
T0
G
Fuite
thermique
Référence
isotherme
• 2 options étudiées
Filière semi-conducteurs
Filière supraconducteurs
• Utilisation de SQUIDs
CNES - Atelier Electronique Cryogénique
4
SAMPAN
SQUIDs?
DCMB
• Superconducting Quantum Interference Device
Fluxmètre supraconducteur
Bruit intrinsèque typique: Vsqnoise=0.2nV/Hz1/2
"0 =
h
= 2.07 #10$15 Tm!
2e
!
CNES - Atelier Electronique Cryogénique
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SAMPAN
Plan focal SAMPAN
DCMB
Bolomètres
supraconducteurs
Multiplexage temporel
avec SQUIDs
T<300mK
 facteur multiplexage
f=32
 Technologie en
développement
CNES - Atelier Electronique Cryogénique
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SAMPAN
Architecture plan focal
DCMB
Bolomètres
supraconducteurs
Amplificateur SiGe
bas bruit
MOS controler
ASIC
CNES - Atelier Electronique Cryogénique
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SAMPAN
La collaboration
DCMB
DCMB
• Accord de coopération entre les laboratoires français
(avec différentes approches et équipements)
•
R&D financée par le CNRS (programme Astroparticule) et le CNES
• But: obtenir un ensemble cohérent de compétences et
d’équipements pour développer par microfabrication des matrices
de bolomètres fonctionnant aux très basses températures
• Deux voies sont explorées pour les bolomètres :
 Haute impedance (NbSi)
 Supraconducteurs (TES) (NbSi ?)
CNES - Atelier Electronique Cryogénique
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SAMPAN
Grenoble
Région
parisienne
Toulouse
La collaboration DCMB
DCMB
Labo
Main task
CRTBT/LAOG
High impedance multiplexing, cryogenics, MPI
LPSC
Antennas, MPI
LPN
HEMTs
CSNSM
Thermometric thin films (semi, superconductors)
IEF
Bolometric architecture, SQUIDs
IAS
Superconductor tests
APC
Superconductor tests, SQUIDs multiplexing
LISIF
ASIC SiGe, Antennas
CESR
CEB study
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Conception antennes
HFSS (LPSC)
SAMPAN
Microfabrication (IEF-MINERVE)
Couches minces (CSNSM)
Nanofab (CRTBT)
HEMT (LPN)
Martin-Puplett (Crtbt/LPSC)
Analyseur vectoriel mm (APC)
Croystat optique
- Diabolo (CRTBT)
- Caméra IRAM 30m (CRTBT)
- Symbol (IAS)
- 300mK (APC)
Structure bolométrique
- composite classique
- antenne
Senseur Haute Impédance
- Senseur (CSNSM)
- MUX Hemt (LPN)
- Electronique (CRTBT)
DCMB
Senseur TES
- Senseur (CSNSM)
- Squid (APC/CSNSM/IEF)
- Electronique (LISIF/APC)
Caractérisation
- Réponse fréquence/polarisation
- Bruit
- Optique
Olimpo
IRAM
SAMPAN
CNES - Atelier Electronique Cryogénique
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SAMPAN
Matrice de 204 bolomètres
avec antennes
•
•
•
DCMB
Gravure du NbSi
Réalisation / gravure profonde
pour membranes
Isolation antennes /
thermomètres avec SiN / SiO2
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SAMPAN
Matrice 204 bolomètres
haute impédance NbSi
DCMB
• Realisation effectuée par IEF/CSNSM
En phase
de
test
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SAMPAN
NbSi Supraconducteur
DCMB
• Echantillon
1mm ×1mm
Structure en peigne
• Transition: α≈200
• Faible bruit en excès
• Cf thèse S. Lefranc
Premier pixel 2ème
semestre 2006
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SAMPAN
SQUIDs
DCMB
• Réalisation de SQUIDs
pour un placement près
des détecteurs
• Masques dessinés
IEF/CSNSM/APC
SQUID de test et
composants élémentaires
Evaporations en cours…
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SAMPAN
TEST DE FAISABILITE SQUIDS
DCMB SUR Al (1000Å)/SiO2 (100Å)/
Al (1000Å)
SQUID
jonction 10 µm
DCMB
Transfo test
Jonction test 5 µm
SQUID
jonction 10 µm
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SAMPAN
Premier ASIC SiGe
fonctionnant @4K
DCMB
• Collaboration LISIF-APC dans le cadre de
DCMB
• Cf présentation Damien Prêle
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SAMPAN
Architectures évoluées
DCMB
• Antennes Niobium
 Max 690GHz
• Lignes de transmission
supraconductrices
Berkeley
 Electronique de filtrage des
signaux issus des antennes aux
fréquences souhaitées.
 Possibilités de traitement du
signal plus évoluées…
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SAMPAN
Amélioration de
l’architecture de detection
DCMB
Exemple: Interférométrie bolométrique (BRAIN)
Mesure des coefficients de Fourier des paramètres de
Stokes par ligne de base
I = E x2 + E y2
Paramètres de
Stokes
Q = E x2 " E y2
U = 2 E x E y cos !
V = 2 E x E y sin !
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Démonstration de
l’ interférometrie
SAMPAN
Cornets Archeops: bolometrique
DCMB
Prototype:
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SAMPAN
Perspectives à long
terme
DCMB
• Besoin de développer et de miniaturiser les
composants de traitement analogique dans la
gamme 100 GHz/THz
Antennes
Filtrage sur les guides d’ondes supraconducteurs
Miniaturisation des jonctions hybrides et des
déphaseurs compatibles avec la technologie
Niobium
CNES - Atelier Electronique Cryogénique
20
To be continued!…
SAMPAN
DCMB
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Electrical architecture
DCMB
SAMPAN
SAMPAN
•DETECTION ARCHITECTURE WITH SQUIDS
Filename:
Architecture_détection_SAMPAN
4 channels:
100, 143, 217, 353GHz
4 polarisations
Matrix of SQUID
32 Col X 32 Lines
giving 1024 detectors
(2C+L+4)
100 wires
Temperature: 0.1 ou 0.3K
Dissipated Power:
1.25nW / SQUID
Diameter:(TBD)
Intermediate SiGe Stage
32Col. X Amplis SiGe
Multiplexer of
selected Amplis
32 to 1
Multiplexer of
Polarisations
5 to 32
32Lines X Polar. SQUIDS
1Line X Polarisation TES
Temperature: 4 à 50K
Dissipated Power: 6mW
Volume: 110 X 110 X 40mm
Mass: 300g
MODULE N°2
MODULE N°20 (for 20000 pixels)
option: MODULE N°10 (for 10000 pixels)
Hot Electronic Stage
14 wires
20 Amplifiers
MODULE N°1
Détectors Stage
Analog/Digital
Converter
resolution: 14bits
Fsample: 20KHz
Debit rate:
Image
8.5Mbits/s
compressor 2.4Mbits/s (option)
14 wires
14 wires
FPGA control
Temperature: 300K
Dissipated Power: < 200W, 100W (option)
Volume: 400 X 400 X 400 mm
Mass: 25Kg
CNES - Atelier Electronique Cryogénique
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SAMPAN
Focal plane
architecture (1)
DCMB
• Semiconducting
bolometers
JFET amplifier
Capacitive biasing
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Instrument SAMPAN
DCMB
SAMPAN
Power budget (preliminary)
♦ Hot electronics for 20000 detectors : 200 W
♦ Hot electronics for 10000 detectors : 100 W
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SAMPAN
23 bolometers
array
DCMB
• Realised in
CRTBT/CSNSM
 3mm membranes
 NEP < 5.10-16 W.Hz-0.5
at 300mK
• To be tested
• Possible use on Olimpo
balloon experiment
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SAMPAN
SAMPAN detectors
• Antenna bolometers
Directly sensitive to
polarisation
Electrical filtering possible
Small bolometer
DCMB
Berkeley
Caltech/JPL
• SAMPAN detectors
configuration:
A la Polarbear…
… but mixing of all
frequencies
CNES - Atelier Electronique Cryogénique
Polarbear
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SAMPAN
8-16:1
High impedance
multiplexing
DCMB
Transistor switches
Réseau de HEMT (QPC)
(Yong Jin – LPN)
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Vmeas
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SAMPAN
DCMB Short term
objectives
DCMB
• Superconducting bolometers:
First realisation and test of SQUIDs
Demonstrate SiGe technology
Realisation and test of a first pixel (using 23
bolometers architecture)
• Semi conducting bolometers
Olimpo
Antenna architecture characterisation
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SAMPAN
DCMB long term
objectives
DCMB
• Medium term:
 Improvement of SiGe technology
 204 superconductor bolometers array with antennas
 Filtering on Nb strip lines
 First astrophysical light of DCMB bolometer arrays (IRAM,
Olimpo to demonstrate SAMPAN concept)
• Long term:
 Quasi-industrial structure for manufacturing a large number of
arrays
• IEF?
• CEA? (ANR project accepted)
 Improvement of detection architecture
• ANR PolarBol refused but in a good place for next year…
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SAMPAN
Focal plane interfaces
DCMB
• Assuming 30% margin on dissipated power
and wires number:
Interface Plan focal
Parties de plan focal
Etage froid 0.1 ou 0.3K
Détecteurs
Etage 50K!T!4K
SiGe
Etage T<150K
JFET
Etage 300K
Ampli chaud
Caractéristiques
Dimensions (diameter mm)
Masse
Puissance electrique (W)
Nb fils
Dimensions
Masse (kg)
Puissance electrique (W)
Nb fils
Dimensions
Masse (kg)
Puissance electrique (W)
Nb fils
Dimensions
Masse (kg)
Puissance electrique (W)
Données (Mbits/s)
20000 det SQUID f=32
291
3kg
1E-6
2600
20x(110*110*40)mm^3
7,8
156E-3
364
0
0
0
364
(400x400x400)mm^3
25
<200W
5,7
Options
20000 det JFET f=16
10000 det SQUID f=32
291
178
3kg
3kg
975E-9
508E-9
2704
1300
0
10x(110*110*40)mm^3
0
3,9
0
78E-3
2704
182
40x(150x150x40)mm^3
0
20,8
0
1,63
0
6032
182
(400x400x400)mm^3
(400x400x400)mm^3
25
25
<200W
<100W
5,7
2,1
10000 det JFET f=16
178
3kg
488E-9
1352
0
0
0
1352
20x(150x150x40)mm^3
10,4
0,81
3016
(400x400x400)mm^3
25
<100W
2,1
• Solutions are equivalent
CNES - Atelier Electronique Cryogénique
30