Clefs n°58 Automne 2009
Clefs n°58 Automne 2009
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°58 de Automne 2009

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 168

  • Taille du fichier PDF : 7,3 Mo

  • Dans ce numéro : dans les secrets de l'Univers.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

Dans ce numéro...
< Pages précédentes
Pages : 118 - 119  |  Aller à la page   OK
Pages suivantes >
118 119
118 Des outils pour sonder l’Univers À droite : une vue d'artiste du satellite Herschel dont le télescope et l'instrumentation ont été placés au-dessus d'un réservoir d'hélium. À gauche : Herschel étudiera les sites de formation d'étoiles dans une gamme d'énergie inexplorée (image de Rho Ophucius vue par le satellite ISO). CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 Le cryostat d’Herschel contient 2 500 litres d'Hélium, ce qui assure à la mission une autonomie d’environ 3 ans. Il maintient l'ensemble du plan focal à une température de -271°C. Le télescope est, quant à lui, refroidi passivement à -200 °C grâce à une protection thermique. Défis technologiques en chaîne La contribution matérielle du CEA a été particulièrement significative concernant le spectro-imageur PACS. D’abord, par une implication pluristructurelle incluant l’Institut nanosciences et cryogénie (Inac) et l’Institut de recherches sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu), tous deux faisant partie de la Direction des sciences de la matière, avec le Laboratoire d’électronique et de technologies de l’information (Leti) de la Direction de la recherche technologique. Ensuite, parce que cette coopération NASA ESA a permis de réaliser une caméra complète, incluant les détecteurs, le cryoréfrigérateur 0,3 K, la mécanique et l’électronique nécessaire au pilotage ainsi qu’à l’acquisition des données et, bien sûr, les matrices de bolomètres spécialement développées pour les besoins de la mission. Aujourd’hui, les équipes du CEA ont maîtrisé la réalisation de plans focaux de plusieurs milliers de pixels par des procédés de fabrication collective, dérivés de la micro-technologie du silicium développée par le Leti. Il s’agit d’un bond technologique comparé à l’offre des autres laboratoires se contentant seulement de quelques dizaines voire de quelques centaines de détecteurs. Leur limitation résulte des dispositifs mis en place pour capter le rayonnement : cornets en face de chaque détecteur, sphères intégrantes, assemblage manuel de chaque pixel, etc. Nos avancées ont bénéficié du contexte exceptionnel des années 1990, marquées par l’essor de la micro-électronique, notamment avec l’avènement de puces capables de contenir différents types de capteurs obtenus par gravure profonde et collective du silicium (micro-accéléromètres pour les airbags équipant les véhicules automobiles, détecteurs de méthane destinés à l’habitat…). À cet élan technologique s’ajoutait une circulation de l’information plus détendue que celle qui avait été en vigueur au cours des années précédentes : des idées anciennes concernant l’absorption des ondes électromagnétiques sont redevenues au goût du jour. Elles ont été adaptées au problème de la détection par les équipes du Leti pour être compatibles avec les procédés de fabrication collective. Plus rien ne s’opposait à la réalisation de grandes matrices de détecteurs. Reste, pour les chercheurs, à relever un autre défi, celui de faire en sorte que la sensibilité des nouveaux détecteurs ne soit plus limitée que par les fluctuations de rayonnement émanant du miroir du télescope (pourtant refroidi à près de -200 °C). Jusqu’à présent, les détecteurs nus dont la surface n’atteint pas le mm 2, pouvaient déjà distinguer l’équivalent d’une ampoule électrique de 100 Watt située à 300 km de là. Avec le télescope Herschel, l’observatoire fera bien mieux en détectant une source analogue mais placée, cette fois, à la distance de la Lune ! Parvenir à une telle performance suppose de refroidir chaque bolomètre, véritable détecteur thermique de rayonnement, à une température bien plus basse que celle de l’instrument, soit 0,3 Kelvin. Pour atteindre cette température dans l’espace, les chercheurs recourent à des cryoréfrigérateurs à évaporation d’hélium (3 He) en circuit fermé, développés par le Service des basses températures (SBT) du CEA. La principale difficulté soulevée par ce type de système réside dans le « budget » de puissance totale disponible sur le plan focal, à savoir 10 µW – puissance indispensable pour la polarisation, la lecture, les connexions électriques et mécaniques des détecteurs. La mise au point d’un multiplexage astucieux a permis aux chercheurs de mettre en œuvre 2 560 bolomètres opérationnels sur la caméra de PACS, dans ce « budget » de puissance, alors que l’instrument SPIRE, de facture plus classique bien que pourvu du même cryoréfrigérateur, n’en pilote que 300 !
F. Vigouroux/CEA Ces détecteurs se répartissent en deux plans focaux dans les gammes respectives de 60 à 130 µm et 130 à 210 µm. Dans la caméra, leur distribution permet de cartographier la même zone du ciel mais à des longueurs d’onde différentes. À plus courte longueur d’onde, la complexité du plan focal s’établit à 64 x 32 pixels, ce qui permet de bénéficier au mieux de la résolution du grand miroir d’Herschel ; en revanche, une complexité de 32 x 16 pixels suffit aux plus grandes longueurs d’onde. Chaque plan focal est formé de modules 16 x 16 pixels « aboutables » sur trois côtés. Et comme les détecteurs présentent une large bande spectrale d’absorption, le montage des modules s’opère indifféremment sur l’une ou l’autre des voies optiques. Seuls les filtres optiques placés devant chaque plan focal définissent alors la gamme de longueurs d’onde. Chaque pixel du module correspond à un bolomètre silicium préalablement hybridé, au moyen d’une bille en indium, à un circuit de lecture et de multiplexage en technologie CMOS (pour Complementary Metal Oxide Semiconductor) (1). L’opération d’hybridation conduit à trois fonctionnalités : • l’interconnexion électrique habituelle du bolomètre au circuit de lecture ; • la réalisation d’une cavité optique pour piéger efficacement la lumière incidente ; • la tenue mécanique et la thermalisation du bolomètre. La taille des billes d’hybridation a été calculée pour que la cavité résonnante s’accorde à la longueur d’onde à absorber. Cette cavité comprend la grille bolométrique ainsi qu’un réflecteur situé sur le circuit CMOS : elle favorise l’absorption maximale de l’onde incidente, proche de l’unité. L’absorption s’effectue dans un métal déposé sur la grille et dont l’impédance de surface est adaptée à celle du vide. (1) Succédant aux transistors bipolaires, la technologie CMOS consiste à fabriquer des composants électroniques à faible consommation électrique dédiés à la conception des processeurs. Quant à la grille bolométrique en silicium, elle se trouve suspendue par des poutres très fines ( 2 µm) et faiblement conductrices de la chaleur. Ce dispositif permet au rayonnement ténu absorbé d’induire une élévation mesurable de sa température. Enfin, un thermomètre en silicium dopé, situé au centre de la grille, réalise la mesure en exploitant une loi exponentielle de la résistance avec la température. Il révèle un cœfficient de température de près de 3 000% /K. Comparée à une surface « pleine », la grille présente un double avantage : d’abord, celui de posséder une masse calorifique plus faible garantissant une vitesse de réponse thermique ; ensuite, celui d’offrir une moindre susceptibilité aux particules cosmiques ionisantes présentes dans l’en vi ron nement spatial. Bien sûr, l’utilisation d’une grille pour absorber la lumière peut poser question : cette lumière n’allait-elle pas « passer » par les trous de la grille ? Ce n’est pas le cas pour la bonne raison que la lu mière ne « distingue » pas les détails inférieurs à sa longueur d’onde. Il suffit donc de fabriquer une grille d’un pas inférieur à la longueur d’onde à détecter. Concernant les modules 16 x 16, chacun d’entre eux fut évalué individuellement lors de campagnes de tests réalisées entre 2003 et 2005. Au vu des performances, ils ont été intégrés dans les plans focaux et étalonnés une première fois. Ensuite, une fois la caméra complète intégrée dans l’instrument PACS – cryoréfrigérateur et l’électronique de vol compris – CEA Il faut travailler sur la problématique du refroidissement des détecteurs embarqués sur les satellites, pour que ceux-ci marchent parfaitement durant au moins dix ans. Les cryoréfrigérateurs refroidissent les détecteurs à quelques centaines de millikelvins. Ici, essais thermiques sur le cryoréfrigérateur de rechange du satellite Herschel. Réfrigérateur à hélium 3. CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 119



Autres parutions de ce magazine  voir tous les numéros


Liens vers cette page
Couverture seule :


Couverture avec texte parution au-dessus :


Couverture avec texte parution en dessous :


Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 1Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 2-3Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 4-5Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 6-7Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 8-9Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 10-11Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 12-13Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 14-15Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 16-17Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 18-19Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 20-21Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 22-23Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 24-25Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 26-27Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 28-29Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 30-31Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 32-33Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 34-35Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 36-37Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 38-39Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 40-41Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 42-43Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 44-45Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 46-47Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 48-49Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 50-51Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 52-53Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 54-55Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 56-57Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 58-59Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 60-61Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 62-63Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 64-65Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 66-67Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 68-69Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 70-71Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 72-73Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 74-75Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 76-77Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 78-79Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 80-81Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 82-83Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 84-85Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 86-87Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 88-89Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 90-91Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 92-93Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 94-95Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 96-97Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 98-99Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 100-101Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 102-103Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 104-105Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 106-107Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 108-109Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 110-111Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 112-113Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 114-115Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 116-117Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 118-119Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 120-121Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 122-123Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 124-125Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 126-127Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 128-129Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 130-131Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 132-133Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 134-135Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 136-137Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 138-139Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 140-141Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 142-143Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 144-145Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 146-147Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 148-149Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 150-151Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 152-153Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 154-155Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 156-157Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 158-159Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 160-161Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 162-163Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 164-165Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 166-167Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 168