Michel Piat Laboratoire Astroparticule et Cosmologie Université Paris 7 Denis Diderot - Collaboration BSD B-mode Superconducting Detectors
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Collaboration BSD
B-mode Superconducting
Detectors
1 cm
Michel Piat
Laboratoire Astroparticule et Cosmologie
Université Paris 7 Denis Diderot
BSD
1. Objectif astrophysique: la polarisation du
CMB
2. Matrice de bolomètres supraconducteurs
3. Base BSD: la collaboration DCMB
4. Vers une architecture supraconductrice
5. Proposition d’objectif pour BSD: architecture de
détection BPol
6. Proposition d’organisation du projet
26 sept. 2007 Kick-off BSD 2
1. Le fond diffus cosmologique ou CMB
(Cosmic Microwave Background)
Singularité: COBE (1989)
Big-Bang T=(2.728±0.004)K
∆T/T≈10-5 à 7°
Univers opaque
(diffusion Thomson)
Surface de
dernière diffusion
Univers
transparent WMAP (2002)
26 sept. 2007 Kick-off BSD 3
La polarisation du CMB
Diffusion Thomson au moment du
découplage rayonnement-matière
Requiert un rayonnement incident à
l’électron qui soit anisotrope
Electron tombant dans une
surdensité:
Polarisation linéaire d’environ 10%
26 sept. 2007 Kick-off BSD 4
Signaux polarisés (simulations)
www.astro.caltech.edu/~lgg/bicep_front.htm
Ondes gravitationnelles
issues de l’inflation
σT~ 100μK, σE ~ 4μK
26 sept. 2007 Kick-off BSD
σB ~ 0.3 μK 5
Spectres de puissance
du CMB
Polarisation: signal très
très faible… Température :
Fluctuations < 10-6 en ~100µK RMS
relatif
Mode E détecté
DASI, WMAP, Mode E :
Boomerang… ~4µK RMS
Mode B jamais détecté
jusqu’à présent Mode B :
< 300nK RMS
Dépend de r=T/S
r < 0.28 at 95% CL
(WMAP+SDSS, Spergel et
al. 2006)
26 sept. 2007 Kick-off BSD 6
Le satellite Planck
et les modes B
Planck (2008)
Conçu pour être limité
par la limite de confusion
des avant-plans non
polarisés
“expérience ultime” pour
les anisotropies en T 14 mois d’intégration: CL lensing
Sensibilité de Planck à la
polarisation
Limitée par le bruit
instrumental
Mesure marginale des r =T/S = 0.1
modes B…
26 sept. 2007 Kick-off BSD 7
Stratégie pour rechercher ces modes B
Expérience fciel Temps Sensibilité NBolos
Expériences possibles: d'observation par détecteur
Sol 0,01 6 mois 300µKs^0.5 1000
(antarctique)
Ballon 0,01 1 jour / 10 jours 100µKs^0.5 1000
Satellite 1 une année 100µKs^0.5 1000 (4)
Erreurs de mesure des
modes B:
Requiert
Beaucoup de détecteurs
Long temps d’intégration
r=0.1
Expériences sol et satellite
(stage DEA B. Quenez, 2003)
26 sept. 2007 Kick-off BSD 8
2. Matrices de bolomètres
supraconducteurs
Bolomètre:
Actuellement le meilleurs
détecteur large bande dans la
gamme 300µm → 3mm
SAFIRE
Herschel-SPIRE
COBE-FIRAS
Herschel-PACS
Planck-HFI
26 sept. 2007 Kick-off BSD 9
Exemple de réalisation de
bolomètres individuelles
Bolomètre « Spiderweb »
(Caltech-JPL)
Absorbeur en toile d’araignée
(Si3N4)
e~1µm, l~5µm, maille~100µm
Métalisation Au
Thermomètre Ge NTD L2 thermistor
~2λ
Polarisation Sensitive Bolometer
(PSB)
2 bolomètres dans 1 module
Métallisation dans une
direction L1 thermistor
Dual Analyzer (PSBs)
Détecteurs Planck-HFI
26 sept. 2007 Kick-off BSD 10Performances obtenues avec
les spiderwebs Bruit de photon dans les
à 300mK canaux Planck-HFI
NEP = 1,5.10-17 W/Hz1/2
τ = 11ms
C = 1pJ/K
à 100mK:
NEP = 1,5.10-18 W/Hz1/2
τ = 1,5ms
C = 0,4pJ/K Détecteurs limités par le
bruit de photon!!!
Amélioration sensibilité ⇒ augmentation du nombre de détecteurs:
Matrice de bolomètres
26 sept. 2007 Kick-off BSD 11Contre-réaction
électrothermique
Effet d’autant plus intéressant que dR/dT est grand:
Bolomètres supraconducteurs
Diminution de la constante de temps
Réponse donnée uniquement par la tension de
polarisation
Groupe de
Richards, fin
1990
26 sept. 2007 Kick-off BSD 12Electronique de lecture
Bolomètre semiconducteur:
Rb # MΩ
POLARISATION
Adaptation d’impédance:
Rpol>>Rb
JFET froid en suiveur (120K) SIGNAL
Rb
Multiplexage complexe AMPLIFICATEUR
Bolomètre supraconducteur:
Rb # 100mΩ
SQUID: Superconducting
QUantum Interference
Device
Possibilité de multiplexage
26 sept. 2007 Kick-off BSD 13Multiplexage à SQUIDs
Multiplexage temporel ou fréquentiel
Schémas
équivalents
en terme de
SNR
NIST, DCMB SRON, UCB
26 sept. 2007 Kick-off BSD 143. La collaboration DCMB
“Développement Concerté de Matrices de Bolomètres”
Accord de coopération entre plusieurs laboratoires français
(avec différentes approches et équipements)
R&D financée par le CNRS (programme Astroparticule) et le
CNES (→ 2008)
Objectif: obtenir un ensemble cohérent de compétences et
d’équipements pour développer par microfabrication des
matrices de bolomètres fonctionnant aux très basses
températures
Deux voies sont explorées pour les bolomètres :
Haute impedance (NbSi)
Supraconducteurs (TES) (NbSi ?)
26 sept. 2007 Kick-off BSD 15La collaboration DCMB
Labo Main task
CRTBT/LAOG High impedance multiplexing, cryogenics, MPI
Grenoble
LPSC Antennas, MPI
LPN HEMTs
CSNSM Thermometric thin films (semi, superconductors)
Région IEF Bolometric architecture
parisienne IAS Superconductor tests
APC Superconductor tests, SQUIDs multiplexing, new
detector architecture
LISIF ASIC SiGe
Toulouse CESR CEB study, SQUIDs readout
26 sept. 2007 Kick-off BSD 16Fonctionnement de DCMB Structure bolométrique
- composite classique
Conception antennes
- antenne
HFSS (LPSC)
Microfabrication (IEF-MINERVE) Senseur Haute Impédance Senseur TES
Couches minces (CSNSM) - Senseur (CSNSM) - Senseur (CSNSM)
Nanofab (CRTBT) - MUX Hemt (LPN) - Squid (APC/CSNSM/IEF)
HEMT (LPN) - Electronique (CRTBT) - Electronique (LISIF/APC)
Caractérisation
Martin-Puplett (Crtbt/LPSC)
Analyseur vectoriel mm (APC) - Réponse fréquence/polarisation
- Bruit
- Optique
Croystat optique
- Diabolo (CRTBT)
- Caméra IRAM 30m (CRTBT)
- Symbol (IAS) Olimpo IRAM
- 300mK (APC)
BPol
26 sept. 2007 Kick-off BSD 17NbSi supraconducteur
Small sample
1mm ×1mm
Structure en peigne
Choix de la Tc
Ajustable entre 50mK et ~1K
Composition Nb (>12%) vs Si
Transition: α≈200
Excès de bruit raisonnable
(thèse S. Lefranc, 2006)
Réalisation d’une
matrice en 2007
26 sept. 2007 Kick-off BSD 18Matrice de NbSi
Supraconducteur
Pas de membranes
23 échantillons NbSi
supraconducteur
Structure en peigne
500µm x 500µm
Tc attendue autour
de 400mK
En cours de test…
26 sept. 2007 Kick-off BSD 19Matrice 23 pixels haute
impédance
• Small arrays of 23 pixels @ 300mK
•3mm × 3mm membranes
• High impedance sensor: NbSi thin film
• Frequency channels 500-600 GHz and 380-440 GHz (TBC)
•One array delivered to Olimpo (NEPelec=2.10-16 W.Hz-0.5 measured
at 300mK)
26 sept. 2007 Kick-off BSD 20SQUIDs
Réalisation de SQUIDs pour un
placement près des détecteurs
Masques dessinés
SQUIDs de test et composants
élémentaires
Evaporations réalisés au
LERMA
Structuration en cours à l’IEF
Possibilité de collaboration
avec l’IPhT (Institute of
Photonic Technology) à Jena SQUID
(Allemagne) jonction 10 µm
26 sept. 2007 Kick-off BSD 21Schéma de multiplexage: ASIC SiGe à 4K
(Thèse Damien Prêle, 2006)
26 sept. 2007 Kick-off BSD 22ASIC SiGe à 4K
Premier démonstrateur:
ASIC pour 2 colonnes de 4
SQUIDs
Amplificateur à 2 entrées
multiplexées
Gain 200 à 4K RC
en=0.2nV/sqrt(Hz) in1
10 E-9
Modélisation de la seule contribution des résistances
in2
Bruit ramené en entrée [V/!Hz]
de charges en polysilicium hautement résistif
Vref I0 out+
en out-
en = 1,38 nV/!Hz à 300 K n
1 E-9
en en
en
en = 0,2 nV/!Hz à 4,2 K
n Rdeg
100 E-12
1 E+3 1 E+4 1 E+5 1 E+6 (Thèse Damien Prêle, 2006)
Fréquence [Hz]
26 sept. 2007 Kick-off BSD 234. Vers une architecture de
détection supraconductrice…
Méthode de mesure actuelle: soustraction du signal de 2
détecteurs mesurant des polarisations perpendiculaires
Paramètres de Stokes :
I = E x2 + E y2
Q = E x2 " E y2
U = 2 E x E y cos !
V = 2 E x E y sin !
Méthode Planck, Bicep…
Polarisation Sensitive Bolometer (Caltech-JPL)
Modulation du signal : stratégie d’observation
26 sept. 2007 Kick-off BSD 24Effets parasites instrumentaux
τ = 7ms erreur:
Imperfections instrumentales 0.8ms
0.4ms
Susceptible de masquer le 0.2ms
signal cosmologique
Améliorations requises
Couplage optique, pureté de
polarisation: antennes
Filtrage optique: filtre sur
4 détecteurs, erreur d’étalonnage:
ligne de transmission (0% +1% -0.8% 0.4%) × 2
0% +1% -0.8% 0.4%
Qualité de la mesure: (0% +1% -0.8% 0.4%) / 4
architecture évoluée
Intégration: technologie
planaire
26 sept. 2007 Kick-off BSD (Thèse Rosset, 2003) 25Lignes supraconductrices
Niobium
utilisable
jusqu’à
700GHz
26 sept. 2007 Kick-off BSD 26DCMB: Matrice de bolomètre à
antenne
3,4 mm
4 mm Antenne (Nb)
Couche dissipative (Bi)
Couche isolant
(SiO)
SiN, membrane
NbSi thermomètre
• Use of plannar antenna network for imaging
in millimeter wavelength
204 pixels test array
• Optical cryostat with dilution developed for
IRAM 30m telescope
• Versatile fabrication process for future
applications :
- Polarisation sensitive detectors
- Integrated frequency selection on the pixels
• Thermal sensor can be either high impedance
or superconducting with NbSi
26 sept. 2007 Kick-off BSD 27DCMB: matrice 204 pixels Réalisation IEF/CSNSM En cours de tests… réponse complexe… 26 sept. 2007 Kick-off BSD 28
A smart pixel: the Diplexer (Institut Néel)
Broadband antenna
A single, broadband
antenna (e.g. bow-tie)
is coupled to two
Pass-band Pass-band
microbolometers. 215-235GHz 120-160GHz
A suitable combination
of superconducting
transmission lines on
each side selects two
220GHz bolometer 150GHz bolometer
bands of interest for
mm-wave astronomical
observations (e.g. CMB, SZ).
26 sept. 2007 Kick-off BSD 29Radiomètre complet (UCB/LBNL)
filters superconducting transmission lines
antennas bolometers
26 sept. 2007 Kick-off BSD 30Bolometres à antenne (Caltech-JPL)
Measured Beam Patterns
X-polarization Y-polarization
8 mm
Measured Spectral Response
Single Pixel – Dual Pol at 150 GHz (JPL/CIT) High Optical
Efficiency!
Advantages
Small active volume.. 30 – 300 GHz operation
Beam collimation…... Eliminates discrete feeds
Reduced focal plane mass
Intrinsic filters…….... No discrete components
26 sept. 2007 Kick-off BSD Kuo et al. SPIE 2006 31Mesure réalisée
Jonction
hybride à 180°
D4
D1
D2
D3
Requiert toujours une
différence entre 2
détecteurs différents…
26 sept. 2007 Kick-off BSD 32Architectures évolués
Mesure directe des paramètres de
Stokes
Pseudo-correlator scheme
(ClOVER)
Equivalent à un polariseur tournant
Interférométrie bolométrique
(BRAIN)
Coefficient de Fourier des
paramètres de Stokes à une
échelle spatiale donnée
(ligne de base)
26 sept. 2007 Kick-off BSD 33Déphaseur supraconducteur
Yassin et al. (University of
Oxford)
Utilisation de nanopont Nb
comme switch
Jonction hybride à 90°
26 sept. 2007 Kick-off BSD 34Conclusion
Besoins instrumentaux pour la mesure des modes B:
Matrices de bolomètres de grande dimension
Architectures de détection évolués
Technologie supraconductrice
BSD!
26 sept. 2007 Kick-off BSD 355. Objectif BSD: BPol
Satellite post Planck (~2020?)
Mesure des fluctuations en
polarisation du rayonnement fossile
à 3K
SAMPAN:
2005-06: Etude de phase 0 financée
par le CNES
Avec Alcatel et Air Liquide
Bpol:
Proposition l’ESA « Cosmic Vision »
soumis en juin 2007
26 sept. 2007 Kick-off BSD 36BPol
~50cm
26 sept. 2007 Kick-off BSD 37BPol: architecture de détection 26 sept. 2007 Kick-off BSD 38
Exemple d’architecture
Matrice de cornets
Wafer avec
antennes, filtres,
bolos…
26 sept. 2007 Kick-off BSD 39Objectifs de BSD
Réaliser les composants supraconducteurs à associer aux bolomètres
dans la perspective d’un instrument spatial
Technologie planaire Nb
Gamme 100GHz-350GHz
Composants:
Antennes
Lignes
Filtres
Déphaseurs
Jonctions hybrides
Réaliser un démonstrateur d’architecture de détection évolué
Type Bpol ou BRAIN
Composants équivalents
Tests possible sur le ciel avec BRAIN
26 sept. 2007 Kick-off BSD 40Planning BSD
2007 2008 2009
Package Tâches Responsabilité 2 1 2 1 2
Composants supraconducteurs Designs LERMA-LISIF
Production LERMA
Tests APC
Matrice de bolomètres Sélection thermo supra CSNSM-IEF
supraconducteurs Test matrice 23 pixels IAS
Design second ASIC SiGe APC-LISIF
Production APC-LISIF
Tests APC-LISIF
Démonstrateur Définition APC
Production LERMA-CSNSM-IEF
Tests IAS
26 sept. 2007 Kick-off BSD 416. Organisation de BSD
Restriction de BSD à la région parisienne pour
l’instant
Extension à décider par la suite
Demande CNES soumise
Proposition de fonctionnement:
Incitation à fonctionner en projet
Fonctionnement calqué sur les projets européens
(FP7)
« BSD Consortium Agreement »
26 sept. 2007 Kick-off BSD 42Assemblée générale BSD
AG = comité de pilotage
Prise de décisions nécessaire à l’avancement du projet
Priorités
Répartition du budget
Réunion tous les 6 mois au moins
Un représentant par labo ayant pouvoir de décision pour
son équipe:
LERMA: Yann Delorme
CSNSM: Louis Dumoulin
IAS: François Pajot
IEF: Daniel Bouchier
APC: Michel Piat
LISIF: Georges Alquie
26 sept. 2007 Kick-off BSD 43Gestion du projet
Chef de projet: Eric Bréelle
Organigramme BSD: Eric Bréelle
Chef de projet
Michel Piat
Porteur de projet
Louis Dumoulin
Responsable CSNSM
Yan Delorme
Responsable LERMA
Georges Alquie
Mise en place d’un site web Responsable LISIF
Échange d’infos François Pajot
Responsable IAS
Téléconf suivant les besoins Daniel Bouchier
Responsable IEF
Réunion tous les mois Michel Piat
Responsable APC
26 sept. 2007 Kick-off BSD 44Budget BSD
P2I
310k€ sur 2 ans
Equipement, fonctionnement et RH
1ère tranche: 100k€ août 2007
CDD Damien Prêle mis en place en urgence avec accord du
LERMA et de l’IAS (réunion du 6/7/2007)
2ème tranche: début 2008
Arrangements possibles…
ANR JC (COS^2, Michel Piat)
150k€ sur 3 ans à partir de 2008
50k€ équipement et fonctionnement
2 ans postdoc (à partir de 2009)
26 sept. 2007 Kick-off BSD 45BSD
B-mode
Superconducting
DetectorsThermomètre
T dR
Caractérisation: A=
R dT
Semi-conducteur: A # -5→-10
Si implanté
Ge NTD (Haller-Beeman)
Couches minces Nb/Si (CSNSM)
!
Supraconducteur: A#100 → 1000
Ti
Ti 1.5mmX1.5mmX40nm
Tc≈400mK A=1000
Mo/Cu, Mo/Au…
Variation de Tc: effet de proximité
Couches minces Nb/Si (CSNSM)
26 sept. 2007 Kick-off BSD 47Architectures évoluées
Antennes Niobium
Max 690GHz
Lignes de transmission Berkeley
supraconductrices
Electronique de filtrage des
signaux issus des antennes
aux fréquences souhaitées.
Possibilités de traitement du
signal plus évoluées…
26 sept. 2007 Kick-off BSD 48Polarisation du CMB: les modes
E et B
E modes:
Scalar modes S : density fluctuations E0
at decoupling
Tensorial modes T : Inflationary Q0 U=0
Gravitational Waves
B modes:
B>0 B0 Q=0 UDemonstration of
Bolometric
Interferometry (DIBO)
Single baseline
Only one polarisation
state
No OMTs
Commercial components
300K components
All but the phase shifter
can be used on BRAIN v1
4K bolometer or VNA
Validation of the
detection method!
26 sept. 2007 Kick-off BSD 50BRAIN detection block
8×8 horns array
Coplanar
superconducting
architecture
Antennas + phase shifters
Microwave striplines
To
bolometers
26 sept. 2007 Kick-off BSD 51BRAIN full size sensitivity to B-
modes
r=0.01 detectable
at 3σ
Instrument
simulation and
optimisation is
ongoing…
26 sept. 2007 Kick-off BSD 52Expected CMB sensitivities
l~1600
l~370
l~720
640μK.arcmin, 12arcmin FWHM 60μK.arcmin, 5.5arcmin FWHM
l~7
l~1140
l~800
5μK.arcmin, 20arcmin FWHM 1μK.arcmin, 2.5arcmin FWHM
l~3000
l~1750
l~160
l~90
l~10
26 sept. 2007 l bounds region (at left) with modes
Kick-off BSDmeasured @ S/N >1 53Méthodes radio
Correlation polarimeters:
Direct measure of Stokes parameters
Ex: CBI, DASI
Sensitivity limited…
26 sept. 2007 Kick-off BSD 54Caltecha and Jet Propulsion Labb
J.J. Bockb,a, A.E. Langea, R. LeDucb, J. Zmuidzinasa
16x16 planar array antenna
25 % BW filter
8 x 8 TES Polarimeter Array Prototype for 150 GHz
Polarization switch • Planar antenna defines beam
• Stripline filter defines passband
• S/C switch modulates polarization
• Small detector volumes
• SQUIDs mount behind array
26 sept. 2007
TES bolometer Kick-off •BSD
Tiles to large focal planes 55Few Diplexer technical facts
- the antenna impedance (100-500GHz) is modelled via 3-D EM
simulations (HFSS and CST microwave studio). The bow-tie is among
the simplest (but polarization-dependent)
polarization-dependent possible configurations.
-The superconducting transmission lines are realized in Niobium.
Niobium
Nb gap cut-off for low-loss lines 700GHz.
700GHz
-The filters are combinations of BCL (Broadside Coupled Lines) and
CPS (Coplanar Strip Lines).
-The superconductors Kinetic Inductance is taken into account as a
corrective factor on the transmission lines impedance (≈ 10%).
-The (BCL) extreme lines are terminated by a matched resistive shunt
located close to the bolometers and on a sub-µm-thick SiN membrane.
membrane
The thermal decoupling to be achieved is < 1nW/K.
- The microbolometers are realized in NbSi.
NbSi
26 sept. 2007 Kick-off BSD 56Implementation of BCL and CPS lines
Dielectric: 300nm SiO2
BCL
(Z=5÷20Ω)
A continuous transition
is then possible to a ….
“practical CPS”
(Z=50÷200Ω)
N.B. the “practical CPS” lines have been validated by 3-D simulations.
26 sept. 2007 Kick-off BSD 57Autre exemple
Liu et al. (IEEE trans. on
Microwave Theory and
Techniques, 2005)
Diode Shottky
26 sept. 2007 Kick-off BSD 58Vous pouvez aussi lire
