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

Bounab, Ayoub (2011). Lecture bolométrique à haute sensibilité pour la cosmologie observationnelle et l'exploration de l'univers lointain.

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Résumé en francais

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 sélectionné 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.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Giard, Martin
Ravera, Laurent
Ecole doctorale:Génie électrique, électronique, télécommunications (GEET)
laboratoire/Unité de recherche :Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP), UMR 5277
Mots-clés libres :Télescope spatial - SPICA SAFARI - Infrarouge et submillimétrique - Bolomètre TES - Baseband feedback - Amplificateur à SQUID - Multiplexage fréquentiel - Traitement numérique du signal
Sujets :Sciences de l'univers
Déposé le :14 Oct 2014 12:16