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Clenet, Antoine. Préparation de la mission spatiale SPICA : développement d'une chaîne de contrôle et de lecture pour matrice de bolomètres supraconducteurs multiplexés en fréquence

Clenet, Antoine (2014). Préparation de la mission spatiale SPICA : développement d'une chaîne de contrôle et de lecture pour matrice de bolomètres supraconducteurs multiplexés en fréquence.

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Résumé en francais

Après le succès des missions spatiales infrarouge de l'ESA Planck et Herschel (2009), le développement de détecteurs submillimétriques à très haute sensibilité en matrices de plusieurs milliers d'éléments est l'un des grands défis auxquels il faut apporter des solutions pour répondre aux besoins des missions scientifiques de l'astrophysique spatiale du futur comme le satellite SPICA (JAXA/ESA lancement potentiel pour 2026). Ce dernier permettra de nombreuses avancées spectaculaires dans la connaissance de l'Univers lointain. Il permettra, en particulier, d'observer l'émission infra-rouge des premières galaxies de l'Univers et des trous noirs qu'elles abritent en leur centre, de caractériser leur contenu en molécules complexes, et ainsi de mieux comprendre les mécanismes physiques de leur formation et de leur évolution. Il permettra également de découvrir et caractériser de nouvelles exoplanètes. Dans le cadre du projet SPICA, l'IRAP est en charge du développement de l'unité de contrôle et de lecture (Detector Control Unit - DCU) de l'instrument européen SAFARI. Ce sous-système assure le contrôle et la lecture de 3500 détecteurs supraconducteurs TES (Transition Edge Sensors). Pour cela il assure le multiplexage en fréquence des détecteurs et linéarise la chaîne de détection. Le DCU traite les signaux, pour une partie de manière analogique (filtrage et amplification), mais surtout de manière numérique (filtrage numérique, contrôle d'asservissement, ...) pour extraire le signal scientifique des bolomètres. La première partie de mon travail de thèse a été de développer un modèle de co-simulation analogique et numérique de l'ensemble de la chaîne de détection de SAFARI pour valider l'architecture de l'électronique conçue à l'IRAP. En effet, la chaîne de détection de SAFARI est développée dans plusieurs laboratoires européens et de ce fait l'IRAP ne dispose pas d'un plan focal représentatif qui permettrait de valider le concept ainsi que les fonctionnalités du DCU. L'implémentation d'un modèle représentatif de l'ensemble de cette chaîne de détection dans mon simulateur m'a tout d'abord permis de valider le principe de lecture et d'asservissement mis au point pour SAFARI. J'ai donc participé aux développements et aux tests du DCU en utilisant ce modèle comme référence fonctionnelle. La seconde partie de cette thèse s'est orientée vers l'optimisation du DCU afin de diminuer sa consommation énergétique. Avec les ingénieurs de l'IRAP j'ai développé et mis en œuvre une nouvelle architecture numérique optimisée de l'électronique de lecture en accord avec les spécifications du DCU. Ces développements permettent de diviser la puissance consommée par un facteur 10 et réduisent d'environ 1/3 l'utilisation des ressources numériques. La troisième partie de mon travail a consisté à caractériser cette nouvelle architecture et à définir le protocole de calibration de la chaîne de lecture. La lecture de 3500 détecteurs requiert la configuration d'environ 21000 paramètres qui sont déterminés à partir de caractérisations qui doivent pouvoir être réalisées à bord. J'ai donc développé un ensemble de procédures automatisées pour la caractérisation de l'instrument. Ces procédures ont fait l'objet d'une campagne de tests au SRON (Pays-Bas) sur une chaîne de détection composée d'une matrice de 160 TES refroidis à 50 mK. Elles ont été validées et sont maintenant régulièrement utilisées lors des campagnes d'essais des détecteurs.

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 :SPICA - SAFARI - Multiplexage fréquentiel - Bolomètre TES - SQUID - Asservissement en bande de base
Sujets :Electricite, électronique, automatique
Déposé le :05 Jan 2015 11:18