La reformulation du probl`eme

Les matrices de bolom`etres du CEA sont des d´etecteurs uniques. Il n’est donc pas surprenant que la litt´erature sp´ecialis´ee ne puisse nous fournir d’outils adapt´es `a l’´etude de leur fonctionnement. N´eanmoins, nous devons trouver une proc´edure de test compatible avec les observables auxquelles nous avons acc`es pour optimiser les performances des matrices. Plutˆot que de baser notre travail sur une mod´elisation compl`ete du d´etecteur1, et compte tenu de la complexit´e du syst`eme et de l’imminence de la campagne d’´etalonnage du Photom`etre PACS, nous avons opt´e pour une approche plus pragmatique. La proc´edure de caract´erisation que nous avons d´evelopp´ee repose en fait sur l’exploration syst´ematique des performances des matrices. Le but est d’obtenir un jeu de donn´ees le plus complet possible `a partir duquel nous pourrons pr´edire

1

Notez que Vincent Rev´eret a developp´e un mod`ele num´erique pour simuler le comportement d’un pont bolom´etrique tel que celui con¸cu pour les matrices (Rev´eret 2004). Cependant, le mod`ele ne prend pas en compte l’´electronique de lecture qui est un ´el´ement clef du d´etecteur. Son int´erˆet a ´et´e relativement limit´e au cours de ma th`ese puisque nous avons principalement rencontr´e des difficult´es avec le circuit ´electronique.

96 Chapitre 4: La proc´edure d’´etalonnage

le comportement des d´etecteurs en orbite et d´eterminer le point de fonctionnement optimum dans les conditions nominales d’op´eration. La richesse des informations r´ecolt´ees pourra ´egalement nous servir d’outil diagnostique pour r´ev´eler d’´eventuels dysfonctionnements ou alt´erations du syst`eme au cours de la mission. D’int´erˆet plus imm´ediat, cette proc´edure nous permet de jauger le potentiel d´ej`a prometteur de ces nouveaux d´etecteurs.

Pour r´ealiser une ´etude compl`ete du comportement des matrices, nous devons explorer un maximum de configurations du syst`eme. Par configurations, il faut comprendre combinaisons des diff´erents param`etres qui peuvent potentiellement modifier le signal de sortie de la cam´era. Toutefois, il est en pratique impossible d’effectuer une analyse v´eritablement exhaustive sur tous les param`etres envisageables. En effet, les matrices n´ecessitent pas moins de 19 tensions de polarisation pour alimenter les bolom`etres et leur circuit de lecture (seulement 15 sont visibles sur la figure 3.11) ; et si nous d´ecidions de mesurer pendant 1 minute toutes les combinaisons possibles de ces 19 param`etres, et en ne testant que 3 valeurs diff´erentes pour chaque tension, il nous faudrait plus de 2000 ans pour compl´eter la proc´edure de caract´erisation ! Nous devons donc faire un choix et distinguer les param`etres primaires que nous explorerons effectivement de mani`ere exhaustive, et les param`etres secondaires qui seront dans un premier temps fix´es `a une valeur par d´efaut. Les param`etres primaires sont choisis pour leur pertinence vis-`a-vis des mesures de performances, nous en donnons la liste et justifions pourquoi notre choix s’est port´e sur eux :

La tension de polarisation : Vpolar = (Vh− Vl). Vh et Vl sont les tensions appliqu´ees aux

bornes des ponts bolom´etriques (cf figure 3.11). Elles sont communes `a tous les pixels d’un mˆeme BU (256 ou 512 pixels pour les BFP rouge et bleu respectivement). La puissance ´electrique dissip´ee dans le bolom`etre, c’est-`a-dire indirectement la temp´erature de l’absor- beur, ainsi que l’effet de champ d´ecrit dans la section 3.2.2 d´ependent de cette tension de polarisation Vpolar. Le point de fonctionnement des thermom`etres, et donc les performances

des bolom`etres, d´ependent fortement de ce param`etre. Nous devons donc l’explorer assez finement ; nous testons 24 valeurs de Vpolar entre 0.5 et 3.5 V pour les matrices bleues

et entre 0.5 et 3 V pour les matrices rouges (un test pr´eliminaire a en effet indiqu´e une tension optimale autour de 2 V).

Le flux radiatif. Cette quantit´e repr´esente le flux incident sur les bolom`etres. Elle est expri- m´ee en pW/pixel. Il ne faut cependant pas la confondre avec la puissance effectivement absorb´ee par le bolom`etre Q telle que nous l’avons d´ecrite pr´ec´edemment. Dans le cas de l’observatoire Herschel, la charge optique est principalement d´etermin´ee par l’´emission d’avant plan, c’est-`a-dire le t´elescope. En effet, la plupart des sources astrophysiques ne devrait compter que pour un milli`eme du flux total. Dans un rapport interne au consor- tium PACS, Sauvage (2007) utilise la formule de Fischer et al. sur l’´emissivit´e du t´elescope Herschel (cf ´equation (1.3)) pour calculer le flux incident au niveau du plan focal pour chacune des bandes spectrales du Photom`etre PACS. Il trouve un flux de 2.75, 1.54 et 2.52 pW/pixel pour les bandes `a 85, 110 et 170 µm respectivement. D’autre part, pour les sources tr`es brillantes telles que les plan`etes ou les ast´ero¨ıdes qui devraient ˆetre utilis´ees

comme calibrateurs primaires, le flux incident pourrait doubler le fond de t´elescope. Il est donc n´ecessaire d’explorer ce param`etre entre 1 et 7 pW/pixel ; ces mesures nous permet- trons ´egalement de quantifier la non-lin´earit´e des bolom`etres. Remarquez de plus que les sources d’´etalonnage que nous utilisons au sol ne poss`edent pas le mˆeme spectre d’´emission que le t´elescope ; nous devons alors mesurer s´epar´ement les flux de 1 `a 7 pW/pixel sur la voie rouge du photom`etre (ce qui correspond `a des faibles flux sur le BFP bleu), puis de 1 `a 7 pW/pixel sur la voie bleue (ce qui correspond `a des forts flux sur la voie rouge). Les tensions de r´ef´erence Vref et Vhb. Ces tensions sont utilis´ees comme r´ef´erence pour

r´ealiser les mesures diff´erentielles d´ecrites dans la section 3.3. Elles sont ´egalement com- munes `a tous les pixels d’un mˆeme BU. Leur rˆole premier est de supprimer les d´erives basse fr´equence du circuit de lecture, mais elles sont aussi utilis´ees comme des offsets pour ajuster le niveau du signal et pour le centrer dans la dynamique des convertisseurs nu- m´eriques de BOLC. Si ces deux tensions ne sont pas r´egl´ees correctement, elles peuvent conduire `a une perte d’information par saturation des ADC. Vhb est la tension inject´ee au

niveau du BU. Vref est la tension inject´ee en amont de l’´electronique froide, tr`es proche

physiquement des bolom`etres. Du point de vue du circuit de lecture, elle est ´equivalente `a un point milieu dont nous pourrions choisir la valeur. Nous explorons 125 valeurs du couple de tension (Vref, Vhb).

Le mode de lecture. BOLC offre deux modes de lecture (cf section 3.3.2). Le mode DDCS doit en th´eorie pr´esenter de meilleures performances en terme de stabilit´e et de sucepti- bilit´e ´electromagn´etique, alors que le mode direct doit ˆetre plus int´eressant en terme de sensibilit´e (la lecture en mode DDCS n´ecessite une soustraction suppl´ementaire, le bruit en mode DDCS est donc la somme quadratique des bruits des deux signaux soustraits). Puisque les deux modes sont potentiellement int´eressants, et que nous ne connaissons pas encore suffisamment bien l’environnement ´electromagn´etique de PACS, nous devons les caract´eriser tous les deux.

Remarquez que malgr´e son rˆole central dans le fonctionnement des bolom`etres, nous n’avons pas cit´e la temp´erature des d´etecteurs comme param`etre `a explorer. D’une part, le banc de test que nous utilisons ne permet pas de contrˆoler la temp´erature du plan focal ; nous pouvons ´eventuellement la faire varier en chauffant la pompe du cryo-r´efrig´erateur (cf section 1.3.3) mais il est tr`es difficile d’obtenir une temp´erature stable sur des p´eriodes suffisamment longues pour effectuer des centaines de mesures. D’autre part, le cryo-r´efrig´erateur fournit une temp´erature tellement reproductible `a chaque recyclage que ce param`etre est rest´e inchang´e tout au long de la proc´edure de test. Notez cependant que s’il ´etait possible de contrˆoler la temp´erature du plan focal, le param`etre temp´erature pourrait simplement se rajouter `a la liste ci-dessus et nous aurions alors acc`es `a une information suppl´ementaire sur le comportement thermique des bolom`etres.

Les param`etres secondaires sont les tensions qui alimentent le reste du circuit de lecture, `a savoir le multiplexeur, les circuits suiveurs de tension et le s´equenceur. A priori, ces tensions ne sont pas pertinentes pour les mesures de performance des bolom`etres et nous d´ecidons de

98 Chapitre 4: La proc´edure d’´etalonnage

Fig._{4.2 Signal typique d’un bolom`etre mesur´e en mode direct en sortie de BOLC pour un flux} incident de 2 pW/pixel. L’´echantillon contient 1.5 × 105 _{points. La d´eviation standard est de}

l’ordre de 70 µV. Durant cette mesure longue d’une heure, la temp´erature a d´eriv´e de fa¸con monotone sur seulement 60 µK.

les fixer `a des valeurs par d´efaut. Leur r´eglage est bas´e sur l’exp´erience que nous avons acquise durant la phase de d´eveloppement des matrices. Par exemple, le courant qui alimente les MOS suiveurs du CL, IV SS, doit ˆetre le plus petit possible pour minimiser la dissipation ´electrique `a

l’´etage 300 mK, mais il doit ˆetre suffisamment important pour permettre le transport du signal ´electrique vers le BU. Ce courant vaut par d´efaut 300 nA pour un groupe bleu qui contient 2 matrices en parall`eles, et 150 nA pour un groupe rouge qui n’en contient qu’une seule.

Jusqu’en 2005, nous r´eglions les matrices de bolom`etres de fa¸con empirique, c’est-`a- dire que l’op´erateur devait ajuster (( `a la main )) chacune des 19 tensions `a appliquer aux d´etec- teurs, et ce pour chacun des six groupes qui composent le PhFPU. Cette proc´edure de r´eglage ´etait relativement longue, fastidieuse et inefficace. Remarquez que pour mesurer syst´ematique- ment les performances de la cam´era et ainsi r´ealiser un ´etalonnage convenable du photom`etre, il est n´ecessaire de tester les matrices dans plus d’un millier de configurations2. L’automatisation de la proc´edure de r´eglage des d´etecteurs s’est donc av´er´ee indispensable.

Cette proc´edure comporte trois ´etapes. La premi`ere consiste `a mesurer la fonction de transfert de l’´electronique de lecture, c’est-`a-dire `a trouver la correspondance qui existe entre le signal d’entr´ee du CL et le signal de sortie de BOLC (cf section 4.2). La seconde ´etape consiste

2

Pour obtenir la NEP (cf section 5.1), nous devons mesurer le bruit et la r´eponse des matrices pour 24 tensions de polarisation dans les deux modes de lecture pour 7 flux sur le BFP bleu et 7 flux sur le BFP rouge, ce qui donne d´ej`a un total de 1344 configurations `a tester.

`a mesurer syst´ematiquement le niveau de point milieu des matrices pour les configurations `a tester tout en relaxant la contrainte sur la dynamique des ADC de BOLC (cf section 4.3). Notez que l’objectif de cette ´etape est de constituer une base de donn´ees compl`ete qui nous renseigne sur l’´etat d’´equilibre des ponts bolom`etriques et qui ne d´epend pas a priori des divers gains et offsets de la chaˆıne ´electronique. En effet, il est important que le point milieu soit ind´ependant de l’´electronique de lecture car cela nous permet de comparer des donn´ees obtenues avec diff´erents r´eglages de l’´electronique, c’est-`a-dire diff´erents gains et offsets. Enfin, pour la troisi`eme ´etape, nous nous appuyons sur ces valeurs de points milieux pour calculer les tensions `a appliquer aux d´etecteurs afin de minimiser la saturation de l’´electronique de lecture (cf section 4.4).

Remarquez que la validit´e de cette m´ethode d’automatisation d´epend de la stabilit´e du syst`eme. En effet, la fonction de transfert de l’´electronique ainsi que la base de donn´ees des points milieux sont obtenues `a des intervalles de temps qui peuvent atteindre plusieurs dizaines d’heures. Pour nous assurer que le calcul des tensions `a partir de ces deux ´el´ements est assez pr´ecis, c’est-`a-dire que le r´eglage pr´edit n’aboutit pas `a une saturation de l’´electronique chaude, nous devons comparer la d´erive du signal `a la dynamique de BOLC. La figure 4.2 montre un signal temporel typique mesur´e en sortie de BOLC pour un flux incident constant de 2 pW/pixel. La d´eviation standard du signal ´electrique est d’environ 70 µV, ce qui repr´esente environ 0.02 % de la dynamique de BOLC en gain fort. D’autre part, la temp´erature du plan focal n’a d´eriv´e que de 60 µK durant la mesure. Le syst`eme est donc suffisamment stable pour appliquer notre proc´edure de r´eglage.

4.2

L’´electronique de lecture

La premi`ere ´etape de la proc´edure d’´etalonnage des matrices de bolom`etres consiste `a mesurer la fonction de transfert du circuit de lecture. Elle sera essentielle dans la suite de l’´etalonnage lors du calcul des points milieux. Pour effectuer cette mesure, nous exploitons le fait que les matrices de bolom`etres poss`edent 2 tensions de r´ef´erences, Vref et Vhblind, qui sont

disponibles `a chacun des deux ´etages d’adaptation d’imp´edance. Cette fonctionnalit´e a ´et´e im- pl´ement´ee pour fournir une lecture diff´erentielle du signal, mais il est aussi possible de se servir de ces tensions comme ´etalons pour injecter un signal connu dans le circuit de lecture et ainsi mesurer la fonction de transfert. Cependant cette mesure n´ecessite un r´eglage particulier des matrices de bolom`etres que nous d´ecrivons ici.

Nous isolons ´electriquement le Circuit de Lecture (CL) du Circuit de D´etection (CD) en imposant VDecX h=VDecX l=0 V et CKRL h=CKRL l=2 V (cf figure 3.11). De cette fa¸con les transistors

qui relient le CD et le CL deviennent isolants, alors que ceux reliant Vref et le CL deviennent

passants. Du point de vue du s´equenceur, ce r´eglage est ´equivalent au mode de lecture direct, mais au lieu d’´echantillonner le point milieu, l’´electronique froide ´echantillonne uniquement la tension de r´ef´erence Vref. D’autre part, les tensions secondaires qui alimentent le circuit de

lecture ne sont pas pertinentes pour les mesures de performance, elles sont donc mises `a leur valeurs nominales et ne changeront pas dans la suite des tests (cf section 4.1.2). En effet, il est

100 Chapitre 4: La proc´edure d’´etalonnage

Fig._{4.3 Signal de sortie du plan focal bleu pour (Vref, Vhblind) = (300 mV , 2 V). Les structures} horizontales sont dues au multiplexage. Tous les pixels sont fonctionnels `a l’exception de la ligne au centre `a droite qui a ´et´e sacrifi´ee pour pouvoir r´ecup´erer le reste de la matrice. L’histogramme montre une dispersion r.m.s. sur cette carte de quelques mV.

crucial de garder ces mˆemes r´eglages pour les tensions secondaires tout au long de la proc´edure de caract´erisation pour s’assurer que les gains et offsets de l’´electronique restent inchang´es (`a la d´erive basse fr´equence des transistors pr`es). Il est ´egalement n´ecessaire de mettre l’´electronique chaude dans le mode de gain faible pour explorer toute la gamme dynamique des convertisseurs num´eriques de BOLC et ainsi mesurer leurs limites de saturation.

Nous mesurons le signal de sortie de toute la chaˆıne ´electronique pour plusieurs couples de tension (Vref, Vhblind) inject´es. La figure 4.3 montre un exemple de distribution spatiale

du signal sur le BFP bleu pour un couple (Vref, Vhblind) = (300 mV , 2 V). Cette carte ne

contient aucune contribution des bolom`etres mais nous donne plutˆot une image de l’´electronique de lecture seule. Les structures horizontales sur chaque matrice sont dues au multiplexage et indiquent un certain niveau de corr´elation entre les pixels d’une mˆeme colonne de lecture. En effet, ces colonnes poss`edent un circuit de lecture en commun, celui qui se trouve en aval du multiplexeur (cf figure 3.11). La dispersion du signal sur tout le plan focal est d’environ 8 mV.

Afin d’´echantillonner finement la fonction de transfert, nous explorons Vref de 0 `a

800 mV par pas de 33 mV, et Vhblind de 1.60 `a 2.40 V par pas de 200 mV. Le r´esultat de ces

mesures est pr´esent´e dans la figure 4.4. Chaque point repr´esente la valeur du signal de sortie moyenn´ee sur une matrice enti`ere, la matrice en bas `a gauche de la figure 4.3 en l’occurence. Les mesures sont tr`es peu bruit´ees et l’´electronique de lecture semble avoir un comportement lin´eaire sur une grande partie du domaine explor´e. Notez toutefois que pour les faibles valeurs de Vhblind le signal sature `a -330 mV, valeur correspondant `a la limite inf´erieure de la dynamique de

BOLC en gain faible (cf annexe C). Nous d´efinissons maintenant le gain total de l’´electronique de lecture comme ´etant la quantit´e ∂Signal_∂V

ref . Nous le calculons ais´ement `a partir de la fonction

de transfert et nous le tra¸cons dans la figure 4.5. Le gain de la chaˆıne ´electronique est sup´erieur `a 95 % pour des valeurs de Vref comprises entre 250 et 650 mV. Par contre, en dehors de cette

gamme, le signal entrant dans le circuit de lecture est consid´erablement att´enu´e (gain<0.5 pour Vref<50 mV). La partie droite de la figure 4.5 montre le bruit r.m.s. mesur´e pour chacun des

Fig. _{4.4 Fonction de transfert de l’´electronique de lecture. Elle repr´esente le signal de sortie} moyen d’une matrice de bolom`etre PACS pour diff´erents couples de (Vref, Vhblind) inject´es dans

le circuit. Vref varie de 0 `a 800 mV par pas de 33 mV et Vhblind de 1.60 `a 2.40 V par pas de

200 mV. BOLC ´etant utilis´e avec un gain faible, le signal sature le convertisseur num´erique aux alentours de -330 mV, effet visible aux faibles valeurs de Vhblind. Cette fonction de transfert sera

102 Chapitre 4: La proc´edure d’´etalonnage

couples (Vref, Vhblind). Pour des valeurs de Vref sup´erieures `a 200 mV le bruit de lecture moyen

sur une matrice est d’environ 24 µV pour les groupes bleus et d’environ 18 µV pour les groupes rouges3_{. Dans les deux cas, en-dessous de 200 mV, l’´electronique g´en`ere un bruit consid´erable-}

ment plus ´elev´e. Nous attribuons cette augmentation de bruit `a la saturation des transistors control´es par VSM S (adressage du multiplexeur). Ces transistors sont ´egalement responsables de

la chute de gain pour les petites valeurs de Vref.

La fonction de transfert est un ´el´ement clef de la proc´edure d’´etalonnage, elle nous fournit l’in- formation qui nous permettra de calculer le niveau de point milieu de chaque pixel. Mais les mesures pr´esent´ees dans cette section sont d’autant plus importantes qu’elles d´elimitent le do- maine de fonctionnement de l’´electronique de lecture, et qu’elles donnent des contraintes sur le niveau de signal qui peut, ou non, ˆetre transmis jusqu’`a BOLC. D’apr`es la figure 4.5, nous concluons que l’´electronique de lecture ne fonctionne que pour des signaux entrant compris entre 200 et 700 mV.

Fig._{4.5 Gauche : Gain total de toute la chaˆıne ´electronique. Il est obtenu en d´erivant la fonction} de transfert par rapport au Vref qui est inject´e en amont du circuit, gain=∂Signal_∂Vref . Pour des Vref

compris entre 250 et 650 mV le signal est transmis avec un gain sup´erieur `a 95 %. Les deux morceaux de courbes aberrants proviennent de la saturation de BOLC pour les faibles valeurs de Vhlind. Droite : Bruit r.m.s. mesur´e pour chaque couple (Vref, Vhblind). Pour les valeurs de

Vref inf´erieures `a 200 mV le bruit augmente fortement indiquant que l’´electronique de lecture

ne doit pas ˆetre utilis´ee dans ce r´egime. Le bruit vaut zero lorsque le signal sature aux faibles