[PDF] Docteur en sciences physiques de lUniversité Paris-Sud 11 Nicolas

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THµESEDEDOCTORAT

par:

NicolasBILLOT

µaDelphine,Noah,mafamille...

celuiquinediscuteriennes'assurederien; ii iii

Abstract

thescienti¯ccommunity.

Remerciements

zz soutenance. v viRemerciements

Merci.

vii

Bonnelecture...

Tabledesmatiµeres

ix xTabledesmatiµeres

5Lesmesuresdeperformance117

6Dulaboratoireµal'observatoire159

7Conclusions185

Tabledesmatiµeresxi

APublications203

CLadynamiquedeBOLC257

Tabledes¯gures

xiii xivTabledes¯gures 3.13 4.8 4.9 5.1 5.4 5.6 5.15

Tabledes¯guresxv

Listedestableaux

xvii

Glossaire

ADCAnalog-to-DigitalConverter

ALMAAtacamaLargeMillimeterArray

APEXAtacamaPath¯nderEXperiment

BFPBolometerFocalPlane

BUBu®erUnit

CLCircuitdeLecture

CCATCornellCaltechAtacamaTelescope

CMBCosmicMicrowaveBackground

CQMCryogenicQuali¯cationModel

CSOCaltechSubmillimeterObservatory

ESAEuropeanSpaceAgency

FETFieldE®ectTransistor

FIRSTFar-InfraRedSpaceTelescope

FMFlightModel

FPUFocalPlaneUnit

FSFlightSpare

FTSFourierTransformSpectrometer

HEBHotElectronBolometer

HEMTHighElectronMobilityTransistor

HSCHerschelScienceCenter

xix xxListedestableaux

HSOHerschelSpaceObservatory

IRInfraRouge

IRASInfraRedAstronomicalSatellite

ISOInfraredSpaceObservatory

JyJansky,1Jy=10¡26W/m2/Hz

JCMTJamesClerkMaxwellTelescope

LIRLaboratoireInfraRouge

NEPNoiseEquivalentPower

NHSCNASAHerschelScienceCenter

OGSEOpticalGroundSegmentEquipment

PAHPolycyclicAromaticHydrocarbons

PhFPUPhotometerFocalPlaneUnit

PSFPointSpreadFunction

SEDSpectralEnergyDistribution

TESTransition-EdgeSensor

ULIRGUltraLuminousInfraRedGalaxy

UVUltraViolet

Chapitre1

Unebrµevehistoiredel'astronomie

infrarouge:deHerschelµaHerschel

1.1Lanaissancedel'astronomieinfrarouge

sciencesduXIXesiµecle. 1 ouradiantheatenanglais. sonRoiGeorgeIII. sight.)) vationsinfrarouges. danslalumiµerevisible. et1.3mm,cfsection1.2.3).

Lapoussiµere

Galliano.

200
extraitedeDraine(2003). Legaz

Lerayonnementfossile

extraitedeDameetal.(2001) spectreduCMBdansladirectiondel'amas. http://fr.wikipedia.org/wiki/Fond di®uscosmologique) proche. l'amplitudeetlaphaseduchampderadiation. C=hc

Eg=1:24¹mEg(eV)(1.2)

de200¹m.

¢º»107(deGraauw

Atmosphµereetvapeurd'eau

ungrandnombred'imagesindividuelles.

Lesgrandsobservatoires

25m).

Mexiqueµa4600md'altitude.

1.3L'ObservatoireSpatialHerschel

Lesmotivationspremiµeres

alorslenomdeHerschel.

Lesobjectifsscienti¯ques

del'articledePilbratt(2001): {Lesgalaxies {LeCosmicInfraredBackground dumilieuinterstellaire {Origineetr^oledel'eau

KPwkshop.shtml

extraitedeGuiderdonietal.(1998).

1.3.2Lesatellite

L'orbite

HEO(HighlyEllipticalOrbit).

e±cacesdµeslepremierjour.

Lecryostat

Lemoduledeservice

130kbps(kbits/seconde).

multimedia.esa.int/)

Lesinstrumentsscienti¯ques

IHIFI scienti¯quedel'instrument.

ISPIRE

IPACS puissancede100Wpourfonctionner.

1.3.3LephotomµetredePACS

ladi®ractionµa»100¹m. sa pasdanslecalculdecescourbes. testsdevibrationsµafroid. rouge(cfsection5.5.3). CEA) verslaplateformedusatellitenoustrouvons: durantunrecyclage. duPhFPU(enbas)durantunrecyclage.TEMP

SPSWTetTEMPEVSWTsontlestem-

passantsquandilssontchauds).TEMP celleduBFPbleuetTEMP environ2heures.

Chapitre2

balance-armisshielded,fallsontheother.))

ExtraitdeLangley(1881),p.349.

37
pile

Langley1881,page343.

quecellesdelaplussensibledesthermopiles. conducteur. obtenuen1896auMountWhitneyenCalifornie. aujourd'hui. thGthGT0+ dT T 0P PHOT ???????ThermometreFuite Thermique

Source froideAbsorbeur

SubstratR(T)

i R R V

POLARCHARGE

BOLOMETREi

V dubolomµetre, lienthermique. aspectsducomportementd'unbolomµetre.

±T=±Q

Cth(2.1)

etdesamassem. C th=m£s danslessections2.2.1,2.2.2et3.2.2. dQ dt=Gth(T¡T0)(2.2) lesystµememoinslapuissancesortante: C thdT dt=P¡Gth(T¡T0)(2.3) dT dP=1Gth(2.4) oµudT lementdeGth,c'estlaconstantedetemps. C thdT dt=¡Gth(T¡T0)(2.5)

T=T0+(T1¡T0)exp(¡t=¿th)(2.6)

i!Cth¹T=¹P¡Gth¹T(2.7) j

¹Tj=j¹Pj

Gth1q

1+!2¿2th(2.8)

astronomiquesdanslasection6.4. lisationd'unbolomµetre.

2.1.3Lessourcesdebruit

sections5.1et6.1.

Lebruitdephoton

(¢nr:m:s:)2=n£(n+1)(2.9) n=´det²(º)t(º)1 ehºkT¡1(2.10)

NEPphoton=2h

csAZ +1 0 dº(2.11)

Lebruitthermiqueoubruitdephonon

delafa»consuivante: <(¢U)2>=kT20Cth(2.12) <(¢P)2>=4kT20Gth(2.13) @T,ilvient: <(¢P)2>=4kT2(Gth)d(2.14)

LebruitJohnson

<(¢V)2>=4kTR(2.15)

Jonhson=p

Lebruitdelecture

Autressourcesdebruit

ILebruitdecourant

i 2=p

2qI(2.17)

ILebruitmicrophonique

5£10¡13W/p

Hzµa

du collectivedebolomµetres. bient^otprendresonenvol. Hz. www2.jpl.nasa.gov/) lentes:NEP=1:2£10¡17W/p

2.2.2Lesbolomµetressupraconducteurs

mentlaconvention®=1 Hz. Hz

µa450¹met»3£10¡17W/p

eto®reuneNEPde4£10¡17W/p http://bolo.berkeley.edu/) lapuissancelumineuseseraitalorsperdue. http://bolo.berkeley.edu/) lesprojetsARTEMISouSCUBA-2.

2F¸.

Chapitre3

Lesmatricesdebolomµetresdu

PhotomµetreHerschel/PACS

3.1.1Contexteetmotivations

63
terreparexemple). de1. 10

¡16W/p

{Fabricationcollectivedesbolomµetres,

5mJy(5¾,1h).

VlVh

Tensions de reference

Points milieux

de sortie SignalMultiplexee a froidElectronique de lectureElectronique chaude (numerisation) BOLC ratureambiante. avonsmiseaupoint(cfsection4.1.2). deFourier. matricesdebolomµetresduCEA: centraltomakinglarge-scalearrays))

ExtraitdeRieke2006.

totale: +Sth£6:6£10¡13T(3.1)

2:1£10¡14J/K.

Conductancethermique

thermomµetreaucircuitdelecture. G th¼0:6£10¡11W/K(3.2)

3.2.2Lesthermomµetres

silicium

½=½0expµT0

n (3.3) delathµesedeBuzzi(1999).

R(T;E)=R0expÃ

r T0 T! expµ (3.4) senterlalongueurdesaut:L(T)=aT2+bT+c.

600¹mdelong.

@T SiO thermomµetresdem^emetaille. dumodµeledevolrouge.

A=1¡Sechantillon

Sreference(3.5)

coursauSAp. etal.(2006).

BUparVGL

ADX 1 ADX 2 ADX 1 ADX 2 ADX 1 ADX 2 V V GL_BU DL_BU VV DDGG V SS_BU V V GL_BU DL_BU VV DDGG V SS_BU V hb Point milieu V lh V

5 mm, 1 TWW5 cm, 1 M

gain high / low AD DDCS

7 m, 10 kW

pixel_3pixel_16 V GL V DL CKRL VDECX V ref

Etage 300 mK

CLCD bolo RR ref colonne_1

Etage 2 K

BUBOLC

Point Elementaire de Lecture

V SS V SMS pixel_2

Electronique Chaude 300 K

12 10 4 V SS etV SS BU ref latensionV SMS hb fonctionsquicomposentcecircuitdelecture. sontenfaitlestensionsVGL

3.3.2Lesmodesdelecture

Lemodedirect

auxautrestensionsducircuit: V quil'alimenteIVSS duBU.

Signal

Signal

VrefVrefVVrefptmilVrefVrefPixel_1

Pixel_2Pixel_3Pixel_16Pixel_1Pixel_2

0.78 ms

1.56 ms

25 ms

Mode DirectMode DDCS

VVrefptmilVptmilVptmilVptmilVptmil

Vptmil

Vptmil

VptmilVptmil

Vptmil

Vptmil

Temps V

LemodeDDCS

V

1delam^eme

statiques.

VrefVref

0.78 ms

1.56 ms

25 ms

TempsV

ptmil V ptmil

Commutation

du multiplexeur ere1 Conversioneme

2 Conversion

Commutation

VDECX/CKRL

VDECX/CKRL

Commutation

sur V sur le point milieuref sur le pixel (Vhb¡Vref),soitVref¡Vptmil. V portementdesmatricesdebolomµetres.

Chapitre4

etEricDoumayrou. 91
chapitre.

4.1.1Desoutilsexistantsinutilisables

estW=GS£(T¡T0). G

S(Á)=GS0

(¯+1)µ (4.1)

T0.Comme

T¸ (4.2)

®=1

RdRdT=¡nTngTn+1(4.3)

S(!)=S(0)

p1+!2¿2e(4.4) avecS(0)=dV dQ=®VGe·

RLR+RL¸

dTestla

S(0)=s

GS0T02

6 6

4n±

nr exp³h±Ái n´hÁ¯+1¡1¯+1¡°i 7 7

5(4.5)

T

P£R(T)etI=pP=R(T);d'autrepartlebilan

P(Á)=GS0T0

¯+1(Á¯+1¡1)¡Q(4.6)

4.1.2Lareformulationduproblµeme

sureux: tensionoptimaleautourde2V). coupledetension(Vref,Vhb). bolomµetres. monotonesurseulement60¹K. V DecX V V rouges

200et700mV.

@Vref.PourdesVrefquotesdbs_dbs27.pdfusesText_33

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