Le satelliteLes bolomètres de Planck HFI

Les bolomètres de Planck-HFI

Qu'est-ce qu'un bolomètre ?

L'instrument haute fréquence de Planck observe la lumière dans le domaine des fréquences micro-ondes et infrarouge lointain avec 52 bolomètres. Les 20 bolomètres de type "toile d'araignée" sont sensibles uniquement à l'intensité de la lumière et 32 autres bolomètres sont sensibles également à la polarisation.

Dans la gamme de longueurs d'ondes de l'instrument HFI, les bolomètres sont les détecteurs les plus sensibles, relayés par les photoconducteurs à plus courtes longueurs d'ondes (en dessous de 200 microns) et par les détecteurs cohérents de type "radio" au-delà de quelques millimètres.

Un bolomètre consiste en un absorbeur métallique qui, dans le cas de HFI, a été construit en toile d'araignée pour diminuer son interaction avec les rayons cosmiques, et un thermomètre à semi-conducteur (germanium dopé par transmutation dans le cas de HFI).

L'énergie des photons absorbés est détectée par le thermomètre sous forme d'un changement de température et transformée en signal électrique grâce à une électronique de lecture adaptée. Le signal électrique peut alors être amplifié, numérisé et transmis par radio pour être interprété.

 
schema bolometresLégende : Schéma du fonctionnement d'un bolomètre
 

 

Besoin d'un environnement exceptionnel !

Pour augmenter la sensibilité et réduire les bruits (très sévères dans le domaine de micro-ondes), les bolomètres doivent être refroidis à des températures très proches du zéro absolu. Cela représente le défi technologique le plus ambitieux auquel la communauté Planck a dû faire face et en même temps un des plus grands succès de la mission.

La température choisie pour les bolomètres de Planck-HFI a été de 0.1 K (-273.05 °C) obtenue grâce à un système complexe à plusieurs niveaux cryogéniques qui permet au final d'obtenir cette température extrême avec une dilution hélium 3 - hélium 4. Ce système a montré des performances remarquables avec des fluctuations de l'étage à 0.1K de seulement quelques fractions de millionième de degré !

Grâce à une si bonne maîtrise de l'instrument, les bolomètres de HFI ont montré des performances jamais atteintes jusqu'à aujourd'hui par d'autres détecteurs utilisés dans le même domaine de longueurs d'onde. En effet, avec un seul détecteur de HFI, on peut mesurer sur la carte du rayonnement fossile des fluctuations de 2 millionièmes de degré seulement.

 
coupe HFI bolometresbolometres

Légende :
À gauche : Vue en coupe de l'instrument HFI. En doré : Les cornets placés dans le plan focal collectent le rayonnement et le guident vers les bolomètres. En argenté : La dilution maintient les bolomètres à 100mK, leur température optimale de fonctionnement.
À droite : Photos de bolomètre de type toile d'araignée (au dessus, le thermomètre est au centre) ou sensible à la polarisation (en dessous, superposition des deux bolomètres à 90 degrés l'un de l'autre, avec leurs thermomètres au bord)

Crédits : ESA / medialab (gauche) et NASA / JPL (droite)

 

 

Et demain ?

Les nouveaux défis du futur nous obligent à améliorer les performances des détecteurs utilisés dans l'observation du rayonnement fossile et à diminuer les erreurs liées à l'instrument.

L'augmentation de sensibilité requise pour les missions spatiales futures, au strict minimum 10 fois meilleure, ne pourra être atteinte en augmentant le temps d'observation - de toute façon limité à quelques années, ou en augmentant la sensibilité du détecteur - les bolomètres de Planck ont déjà atteint la limite de sensibilité pour la mesure du rayonnement fossile.

La seule solution serait de mettre en œuvre une plus grande couverture du plan focal par des matrices de plusieurs milliers de pixels contigus, et dont le bruit individuel est inférieur au bruit de photon du rayonnement des sources astronomiques observées. Cette solution comporte un changement conceptuel de l'électronique de lecture utilisée pour lire les détecteurs : sinon nous aurions un très grand nombre de fils à refroidir à 100 mK pour lire individuellement des milliers de détecteurs.

Le développement des bolomètres et l'affinement de la maitrise de la supraconductivité nous amène à considérer deux types de détecteur candidats pour la prochaine génération d'observation du ciel micro-ondes : les détecteurs KIDs (Kinetic Inductance Detectors) et les détecteurs TES (Transition Edge Superconducting). Beaucoup d'expériences au sol et en ballon stratosphérique se sont mises en place dans les dernières années pour tester les performances de ces types de détecteurs dans l'observation de l'univers millimétrique...

 

bolometresLégende : Matrice de 30 KIDS (les carrés gris au centre) testée sur le télescope de 30 mètres de l'IRAM en Espagne à l'automne 2009. L'électronique de lecture se trouve dans les parties dorées à droite et à gauche. Les gros connecteurs amènent toutes les tensions et ressortent tous les signaux.

Crédits : collaboration NIKA

 

 

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