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

Preparation of the SPICA mission : development of a control and readout electronics for frequency multiplexed bolometer array

• Auteur / Autrice : Antoine Clenet
• Direction : Martin Giard, Laurent Ravera
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Système, Nanosystème
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matrices bolométriques

Multiplexage

Satellites artificiels en télédétection

Mots clés libres

Spica

Safari

Multiplexage fréquentiel

Bolomètre TES

Squid

Asservissement en bande de base

Résumé

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.

After the success of ESA's infrared space mission, Planck and Herschel (2009), it is mandatory to develop new generation ultra-sensitive detector arrays to meet the science requirements of the future space missions such as SPICA (JAXA/ESA due to be launched in 2026). SPICA will allow many breakthroughs in our knowledge of the far Universe by observing the first galaxies and characterizing their chemical composition. Thus, it will provide a better understanding of the physical mechanisms that contributed to their formation and their evolution. In addition to that, it will allow the discovery and characterization of new exoplanets. In the context of SPICA, IRAP is developing the digital control unit (DCU) of the European instrument SAFARI to drive the frequency domain multiplexed readout of the kilo-pixel bolometer arrays. It consists in a digital electronics performing a massively parallel signal processing to manage the data of the 3500 bolometers. My first objective was to develop a co-simulation model of the entire SAFARI detection chain in order to validate the DCU concept developed at IRAP. The instrument is a complex and expensive instrument developed by a European consortium; IRAP does not have a representative focal plane to be used with the DCU. My model mimics the DCU. This part has been used as a functional reference during the development of the DCU firmware. It also includes a realistic model of the focal plane array. This has been used to validate the readout concept of SAFARI. My second objective was to optimize the digital readout and control electronics in order to reduce its power consumption. With the DCU team at IRAP I developed an optimized digital architecture to process the bolometers data. Thanks to this, we managed to reduce the dynamic power consumption of the circuit by a factor of 10, saving at the same time about 1/3 of the digital resources. My third objective was to define the calibration protocol for the readout chain. Indeed, the operation of the detection and readout chains needs to properly define more than 21000 parameters that must be determined onboard. I worked out an automatic procedure to set up these optimal values. It had been validated at SRON (Netherlands) and it is now regularly used during the test campaigns of bolometers and their front-end FDM readout electronics.