Développement d'une caméra pour la radioastronomie millimétrique

Development of a camera for millimeter-wave radioastronomy

• Auteur / Autrice : Aurélien Bideaud
• Direction : Alain Benoit, François-Xavier Désert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Loup Puget
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Paolo de Bernardis
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Michel Piat, Pierre de Marcillac

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matrices bolométriques

Radiotélescopes

Astronomie millimétrique

Mots clés libres

Caméra

Bolomètres

Kids

Rayonnement millimétrique

Iram

Cmb

Matrices de détecteurs

Camera

Bolometers

Millimeter-wave

Arrays of detectors

Résumé

L'astronomie millimétrique présente un intérêt particulier pour la compréhension de l'histoire et de l'évolution de notre univers, notamment grâce aux anisotropies du Fond Diffus Cosmologique et 'a la cartographie des galaxies et amas de galaxies plus ou moins lointains. Pour répondre aux besoins en sensibilité de l'astronomie, des instruments dotés de plusieurs milliers de pixels doivent être développés, créant la rupture avec une fabrication pixel par pixel utilisée il y a encore quelques années. Les deux problématiques principales portent sur la conception des détecteurs et sur leur lecture, dans un environnement contraint par la cryogénie nécessaire à une haute sensibilité de détection. Après avoir introduit les enjeux de l'astronomie millimétrique et les contraintes instrumentales qui y sont liées, ce document présente la réalisation d'une caméra conçue pour des observations au radiotélescope 30 mètres de l'IRAM dans la bande 'a 2 mm (140 GHz). Il y est notamment abordé les aspects cryogéniques, optiques, électroniques et détecteurs. Une importance particulière est donnée à la mise en place d'une plateforme de caractérisation optique des détecteurs. Nous présentons des matrices de 204 bolomètres, dont le couplage optique est réalisé par des antennes planes et mettant en œuvre une thermométrie basée sur des couches minces de NbSi. Des caractérisations électriques et optiques sont discutées. Un prototype de multiplexage a également été mis en œuvre et des mesures préliminaires sur près de 80 détecteurs sont présentés. Nous nous intéressons également à des matrices de détecteurs à inductance cinétique (KIDs). Sur ce point, l'accent est mis sur les procédés de lecture, encore mal définis du fait de la récente utilisation de tels détecteurs. Les performances obtenues sur les KIDs ont abouti en octobre 2009 à une campagne de test au télescope de l'IRAM. Cette mission a été un succès, et les résultats techniques et scientifiques sont présentés ici. Une sensibilité instrumentale de 1. 2 10E-15 W/sqrt(Hz)/lobe a été mesurée sur le ciel. Une nouvelle version de l'instrument, tirant partie des développements récents, doit être testée en octobre 2010. Elle permettra l'observation simultanée à 1 et 2 mm, avec deux matrices de 144 détecteurs et un échantillonnage optimum du plan focal.

Millimetre-wave astronomy presents a particular interest for the understanding of the history and evolution of our universe, especially thanks to the anisotropies of the Cosmic Microwave Background and the mapping of galaxies and clusters of galaxies. Until a few years ago, collections of individual pixels detectors were used to cover small focal planes. The current need for instruments running arrays of thousands of detectors calls for a new philosophy. The two main issues concern the fabrication and the readout of the detectors, to be used in an environment constrained by the cryogenic set-up required for highly sensitive detection. After a brief introduction to the astronomical goals and the related instrumental constraints, this document presents the conception of a camera dedicated to the 2 mm (150 GHz) atmospheric window of the 30m IRAM radio-telescope. Cryogenics, optics, electronics and detectors will be discussed. A special attention is given to the set-up of a platform dedicated to the optical characterization of the detectors. We present arrays of 204 bolometers, optically coupled by planar antennas and read with thermometers made of a thin layer of NbSi. Electrical and optical characterizations are discussed. A multiplexed readout prototype has also been implemented, and preliminary measurements of about 80 detectors are discussed. We also present arrays of Kinetic Inductance Detectors (KIDs). The accent is put on the readout procedure, still not completely optimized due to the recent use of such detectors. The obtained performances on KIDs have led us to an engineering run at the IRAM telescope, in October 2009. This campaign was successful, and both technical and scientific results are presented. An overall sensitivity of 1. 2 10E-15 W/sqrt(Hz)/beam was measured on the sky. After one year of improvements, a new version of the instrument is to be tested in October 2010. It will enable a simultaneous observation at 1 and 2 mm, with two arrays of 144 detectors each and a full sampling of the focal plan.