Applications of Kinetic Inductance Detectors to Astronomy and Particle Physics

par Antonio D'addabbo

Thèse de doctorat en Astrophysique et milieux dilués

Sous la direction de Alessandro Monfardini et de Paolo de Bernardis.

Soutenue le 31-10-2014

à Grenoble en cotutelle avec l'Università degli studi La Sapienza (Rome) , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....) , en partenariat avec Institut Néel (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Johann Collot.

Le jury était composé de Flavio Gatti, Martino Calvo, Alain Benoit.

Les rapporteurs étaient Massimo Gervasi, Stefanos Marnieros.

mots clés

• Astronomie millimetric
• Détecteurs à inductance cinétique
• Supraconductivité
• Détection issue des phonons
• Astronomie millimétrique
• Matière, Théorie cinétique de la
• Supraconductivité

Titre traduit

Applications des détecteurs à inductance cinétique pour l'Astronomie et la Physique des particules

Résumé

Les Détecteurs a Inductance Cinétique (KID) ont récemment attiré l'attention de la communauté des détecteurs fonctionnants à très basse température (~100 mK). Haute sensibilité, une fabrication simple, une lecture à faible constante de temps et un multiplexage fréquentielle intrinsèque, ouvrent de nouvelles possibilités pour les expériences necessitant des matrices de détecteurs ultra-sensibles avec un grand nombre de pixels. En astronomie millimétrique, l'instrument New IRAM KID Array (NIKA) est aujourd'hui la meilleure démonstration des performances optiques des ces détecteurs. Cette dernière est composée de plusieurs centaines des KIDs répartis sur deux bandes spectrales. NIKA est installé de manière permanente au telescope (30 mètres) IRAM à Pico Veleta (Grenade, Espagne). Pendant les campagnes d'observation NIKA, nous avons démontré des performances comparables aux bolomètres et l'instrument est aujourd'hui ouvert à la communauté des astronomes. Ces résultats favorables ont déclenché le développement d'une géneration plus ambitieuse : NIKA2. Cette dernière fonctionnera avec pas moins de quelques ~5000 pixels. De plus, il existe une volonté d'étendre la technologie de KID pour les futures missions spatiales d'observation. Dans ce cadre, il est important d'étudier l'interaction des rayons cosmiques avec les matrices de KIDs. Nous avons réalisé une étude avancée permettant aujourd'hui d'entrevoire la physique derrière les intéractions à haute énergie dans les substrats et leur propagation sous forme de phonons jusque dans les pixels. Le travail effectué dans cette thèse est centré principalement sur le développement des instruments (les matrices des detecteurs et le software de lecture et acquisition des donnes) dédiés aux KIDs pour ces mesures.

mots clés

• Millimeter astronomy
• Kinetic Inductance Detectors
• Superconductivity
• Phonon-mediated detection

Résumé

Kinetic Inductance Detectors (KID) have recently drawn the attention of the low-temperature detectors community. High sensitivity, low fabrication complexity, small time constant and most notably the intrinsic capability of frequency multiplexed readout open new possibilities for experiments which need large format arrays of ultra sensitive light detectors. In millimeter Astronomy, the New IRAM KID Array (NIKA) instrument is today the most beautiful demonstration of this statement. It is a two bands hundreds-pixels KID based camera permanently installed at the focal plane of the IRAM 30-m telescope of Pico Veleta (Granada, Spain). Thanks to the NIKA observational campaign, we have de nitively demonstrated performances comparable to the state-of-art of bolometers and the instrument is today opened to the astronomers community. This encourages further array scaling and opens the path to next generation kilo-pixels ground-based cameras, like NIKA-2. Moreover, the will to extend KID technology to space mission needs the interaction with cosmic rays to be investigated. The understanding of the physics behind substrate-higher energy particles interactions led us to implement a fully independent system for the phonon-mediated particle detection with KID arrays. The work carried out through this PhD thesis concerned the development of optimized Lumped Element Kinetic Inductance Detectors (LEKID) and the implementation of dedicated readout techniques for the aforementioned activities.