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Bolomètres X
Thématique et contexte du projet :
L'activité R&D bolomètres X a été présentée au CSTS du serivce d'astrophysique du Dapnia, le 21 Novembre 2002, et approuvée à cette occasion. Elle a reçu, dès l'origine, le soutien du Cnes.
Des bolomètres/microcalorimètres X monopixels ont déjà été testés, avec succès, dans de nombreux laboratoires; mais le passage à une matrice opérationnelle est une étape qui n'a pas encore été franchie. La R&D prend appui sur l'effort déjà investi par le SAp et le Cnes sur les matrices de détecteurs IR de Pacs pour en dériver un plan focal spectro-imageur sensible aux rayons X, à haute résolution en énergie. Ce plan focal microcalorimétrique, aux performances largement améliorées par rapport aux CCDs actuels, pourra équiper les missions d'Astronomie X de nouvelle génération, qui remplaceront les missions XMM/Newton et ASCA/Chandra actuellement en exploitation. L'ESA prépare activement une telle mission, XEUS, qui devrait être lancé après 2015.
Localisation :
Au Dapnia, cette R&D est coordonnée par le Service d'Astrophysique , avec l'aide du Service d'Electronique, des Détecteurs et de l'Informatique. Le développement technologique est réalisé au Leti/LIR à Grenoble.
Collaboration :
Une collaboration a été nouée avec le CSNSM d'Orsay pour l'étude des absorbeurs X et avec l'Observatoire Giuseppe Vaiana de Palerme pour la modélisation thermique du microcalorimètre.
Approche scientifique Moyens d'investigation :
Le développement comprend trois volets préliminaires:
a) La réalisation d'une matrice d'absorbeurs X à base de tantale ;
b) La réalisation d'une matrice de senseurs X par extrapolation des senseurs IR de PACS; ce qui suppose une adaptation de l'impédance du senseur, de sa géométrie et de ses électrodes de lecture ;
c) L'hybridation de la matrice absorbeur sur la matrice senseur.
En parallèle, une étude d'intégration d'un plan focal complet avec son circuit de multiplexage/lecture sera menée.
Les tests/caractérisations des prototypes sont réalisés sur les cryostats EDELWEISS au Sedi. Des mesures sur les absorbeurs seront réalisées au CSNSM et à Palerme.
Instruments :
Le but de notre développement est d'arriver à produire avec un rendement acceptable des matrices d'un millier de pixels (32x32), aboutable sur deux cotés pour pouvoir réaliser des mosaïques, et intégrant une électronique de proximité fonctionnant à très basse température dans le cryostat du plan focal. Ce spectro-imageur aura une résolution spatiale adaptée à l'optique des nouveaux télescopes X et aura une résolution spectrale et un taux de comptage sensiblement améliorés par rapport aux CCDs. Ceci permettra de participer dans de bonnes conditions à l'appel d'offre pour les instruments des missions X de nouvelle génération.
Spécificités :
Ce développement constitue une approche originale à la réalisation de matrices de microcalorimètres X. En effet, la quasi-totalité des programmes de développement existants commence par la démonstration d'un prototype monopixel et cherche ensuite à l'extrapoler à la taille d'une matrice avec des difficultés considérables. En ce qui nous concerne, nous renversons l'ordre du développement; nous partons d'une matrice existante, la matrice IR, que nous adaptons à la spectrométrie X. Le problème du passage à la matrice sera donc déjà résolu puisque les seules technologie utilisées seront déjà compatibles avec cette étape.
Pour la réalisation des senseurs nous utilisons une technologie développée au Leti qui consiste à implanter et diffuser à haute rempérature la première couche d'un substrat SOI (technologie Mesa). Cette technologie permet d'obtenir des senseurs semiconducteurs de haute qualité, à très bas bruit.
Contribution du Dapnia Responsabilités scientifiques et techniques :
La responsabilité scientifique du projet est assurée au SAp.
Le développement technique est réalisé au Leti/LIR à Grenoble.
Le Sedi contribue, notamment aux tests de prototypes dans les cryostats d'Edelweiss. Une contribution à l'électronique est souhaitée dans l'avenir.
Le CSNSM collabore pour la réalisation et le test des absorbeurs X, à base de Tantale.
L'Observatoire de Palerme collabore pour la modélisation thermique de l'absorbeur et du microcalorimètre dans son ensemble.
Engagement du Dapnia de 2001 à 2003 (h.an) :
Services associés :
Dapnia/SAp
Dapnia/Sedi
Etats et perspectives
Dates importantes :
Etat au 31 décembre 2003 :
En Décembre 2003, trois lots de senseurs prototypes ont été testés. Ces lots présentent une impédance décroissante en accord avec l'augmentation du dopage.
Nous nous trouvons à mi-chemin sur la voie de l'extrapolation du senseur Pacs à haute impédance vers le senseur X à basse impédance (1 à 10 MOhms à 100 mK).
Des mesures d'homogénéïté des senseurs d'une même matrice ont été réalisées.
Des tests de résistance de senseurs PACS au report d'absorbeurs massifs en tantale, par collage, ont été réalisés.
Perspectives :
De nouveaux lots à niveau de dopage plus élevé seront nécessaires avant de disposer d'un senseur utilisable en X.
La technologie Mesa sur substrat double SOI a rencontré des problèmes de rendement de fabrication; une reflexion sur une simplification de cette technologie sur substrat simple SOI est en cours.
Les lots prototypes de senseurs X ont été réalisés en association avec les lots de matrices IR Pacs. Le développement de Pacs arrive bientôt à son terme et le développement des prototypes devra être assuré dans un autre contexte.
Le tantale sera développé comme première solution pour réaliser les absorbeurs; le HgTe sera considéré comme une solution de repli.
Bilan scientifique et technique :
Les matrices prototypes ont démontré, au niveau de dopage actuel, une bonne homogénéité des caractéristiques des senseurs, ce qui est de bon augure pour la suite du développement.
Les senseurs Pacs supportent sans problèmes la charge supplémentaire que représentent les absorbeurs tantale.
Faits marquants :
Contact :
C. PIGOT : cpigot@cea.fr
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