PACS (Photodetector Array Camera and Spectrometer)

L’instrument PACS (Poglitsch et al. 2006) se sous-divise en deux instruments travaillant dans le domaine spectral 55-210 µm : un spectrom`etre et un photom`etre.

Le t´elescope Herschel n’est que moyennement froid (∼ 80 K). Cela peut influencer la capacit´e des instruments `a bien diff´erencier une source tr`es faible en magnitude du bruit de fond du t´elescope. Pour rem´edier `a ce probl`eme, l’instrument PACS est muni d’un petit miroir `a inclinaison variable, le “Chopper”. Ce miroir va tour `a tour observer la source `a ´etudier puis une zone de l’Univers local avec une ouverture de 6 arcmin pour le spectrom`etre et de 3.5 arcmin pour le photom`etre. Cette technique permet de s´eparer compl`etement l’objet ´etudi´e du champ dans lequel il est observ´e.

Le spectrom`etre de PACS est un spectrom`etre int´egral de champ de r´esolution comprise entre 1000 et 2000. Le principe est simple : le champ de vue (47” sur 47”) est tout d’abord divis´e et r´eparti sur un quadrillage de dimension 5 × 5 pixels. Le champ de vue est ensuite imag´e `a nouveau, puis dispers´e par un r´eseau pour ˆetre finalement imag´e sur les d´etecteurs. Une fois de plus, je ne m’attarderai pas sur l’aspect spectrom´etrie de l’instrument. Je vais en revanche discuter plus en d´etail de la photom´etrie des sources obtenue avec PACS.

Le photom`etre de PACS utilise des matrices de bolom`etres comme vu au paragraphe 8.1.1 et sur la Fig. 8.3. La lumi`ere qui arrive `a l’entr´ee du bolom`etre est dissoci´ee en deux par un s´eparateur de faisceaux dichro¨ıque, d´epartageant ainsi les courtes des longues longueurs d’ondes avec la transition `a 130 µm. Le canal “bleu” poss`ede deux filtres, 60-85 µm et 85-130 µm, et observe avec des matrices de bolom`etres de dimensions 32× 64 pixels. Le canal rouge ne poss`ede qu’un seul filtre couvrant le domaine spectral 130-210 µm avec des matrices de bolom`etres de dimension 16 × 32. La Fig. 8.6 montre justement les courbes de transmission des trois filtres PACS.

filter transmission curves for the three photometer bands are plotted in Figure 3.4.

Figure 3.4. Filter transmissions of the PACS filter chains. The graph represents the overall transmission of the combined filters with the dichroic in each of the three bands of the photometer. The dashed vertic- al lines mark the nominal band edges.

The reference wavelengths chosen for the 3 photometer filters are 70, 100 and 160 µm . These rounded values are close to the wavelengths that minimize the colour correction terms with the flight model filters.

Scientific capabilities

15

8.1 Le t´elescope Herschel 97

PACS

Herschel Document: SAp-PACS-MS-0616-06 Date: April 25, 2008 Version: Draft 9

FM Photometer Focal Plane Unit User’s Manual Page 43

Figure 4.1: A simplified representation of the many-stage readout electronics. The shaded areas indicate from left to right the location of the circuit, from the detection layer (blue) to the readout layer (orange) , to the buffer unit (red) and finally to BOLC (green). Multiplexing occurs between the BU and CL and is not represented here.

4.2.4 The 300 K test

The following is the commanding script for the 300 K level test. Again the format is from the SAp setup but the actual commands are the same. The comments can help you understand what is really going on. A few comments are probably necessary.

First you will often find wait commands in the script. This is to allow the operator to check that the test is indeed progressing according to the plan. In the SAp lab, these waits lasted 5000 ms. In the FM test configuration this may be too short for two reasons: (1) we average frames 4 by 4, i.e. we have 4 times less frame to check that the signal pattern is correct, but more importantly the HK are sampled only every 2 seconds, thus we only have 2 complete set of HK for each period. This is uncomfortably low. Therefore:

We recommend using wait times of 10 s so has to have a reasonable number, i.e. 5, of complete HK formats for each “plateau” of the functional test.

Second, you will see that we mostly use the all groups mode of commanding BOLC. As experts know, in this mode we do not achieve as fine a setting of the BOLC biases as in the mode where each group is addressed individually. This is because the conversion curves are different for each groups (see appendix A). This is not very relevant here as we are making a functional test. If you want to split this on a per group basis, you should use the corresponding calibration curves with the analog values indicated in the comments of this script. In fact you will see that such a group by group splitting has been done for the VRL test.

Third, as their name imply, the VDD-PROT-BU and VDD-PROT-CL are protection biases, they have to be set so that the bias settings that follow do not generate uncontrollable currents and heat dissipation rates. Therefore it is of paramount importance to check that these commands have been correctly executed for each group before moving on to the next bias setting commands. If the telemetry shows that they are not set, the procedure should be aborted. Furthermore these and the GND-BU setting require wait times of respectively 1, 1, and 3 s to make sure that the electronicts can safely be polarized.

Electronique chaude Buffer Unit (BU)

Circuit de Lecture (CL) Circuit de

Détection (CD)

Figure 8.7 – Sch´ema ´electronique du circuit de lecture des matrices de bolom`etres.

Je vais d´ecrire bri`evement l’architecture des matrices du photom`etre de PACS et citer les diff´erents modes de lecture. Cet aspect est certes un peu technique, mais j’aurai besoin de certaines de ces notions dans le reste de ce manuscrit, et notamment lorsque je d´efinis la saturation du signal observ´e `a la section 8.2.3.

Les matrices de bolom`etres de PACS sont compos´ees de 2 plaques de silicium reli´ees l’une `a l’autre par des billes d’indium qui permettent une connexion ´electrique et thermique. Ces deux plaques sont superpos´ees l’une `a l’autre. La plaque sup´erieure et expos´ee au champ de radiation est appel´ee Circuit de D´etection ou CD. Elle contient les bolom`etres `a proprement parler. La plaque situ´ee en dessous contient elle l’´electronique de lecture et est d’ailleurs appel´ee assez naturellement Circuit de Lecture ou CL. Le CD comporte une rang´ee de pixels espac´es les uns des autres par des murs interpixels. Chaque pixel poss`ede deux thermom`etres, un en son centre, et un autre au niveau du mur interpixel adjacent. Le thermom`etre au centre du pixel a sa temp´erature reli´ee au flux incident de la source observ´ee. Le CL lit la temp´erature renseign´ee par ce thermom`etre au centre du pixel et permet de transporter l’information jusqu’`a l’´electronique chaude. L’´electronique chaude, appel´ee BOLC pour BOLometer Control, permet de num´eriser le signal bolom´etrique et de fournir des tensions ´electriques `a tout le circuit de lecture et aux bolom`etres eux-mˆemes (donc CD). Ces tensions ´electriques sont les tensions VH et VL visibles `a la Fig. 8.7. Cette figure repr´esente le sch´ema de l’´electronique des matrices de bolom`etres. On y retrouve, de la gauche vers la droite, le Circuit de D´etection (en bleu), suivi du Circuit de Lecture (en orange), puis le Buffer Unit dont je n’ai pas encore parl´e (en rose), et enfin l’´electronique chaude (en vert).

Les thermom`etres du CD ont de tr`es grandes imp´edances. Ces imp´edances ne sont pas compatibles avec des cˆables ´electriques de plusieurs m`etres. Le syst`eme introduit dans la technologie de PACS permet de r´eduire cette imp´edance de mani`ere `a pouvoir v´ehiculer les tensions ´electriques jusqu’`a l’´electronique chaude. Pour cela, deux ´etages d’adaptation ont ´et´e n´ecessaires : le CL et le BU, respectivement `a 300 mK et `a 2 K. Je ne rentrerai pas plus en d´etail ici sur la technologie complexe de ces matrices de bolom`etres. Je ne me suis content´ee ici de d´ecrire les grandes lignes du circuit de lecture, et pour une version plus d´etaill´ee des bolom`etres de PACS, le lecteur peut se r´ef´erer `a des ouvrages sp´ecialis´es, et en particulier `a la th`ese de Nicolas Billot.

Le cœur des matrices de bolom`etres r´eside dans l’´electronique froide, mais c’est l’´electronique chaude qui fournit toute l’activit´e ´electrique n´ecessaire `a CL et BU. De plus l’´electronique

chaude permet la conversion des signaux analogiques en valeurs num´eriques. Cette op´eration a lieu grˆace `a des composants de 16-bits appel´es ADC pour Analog-to-Digital Converter. Je termine ici cette description du photom`etre de PACS en pr´ecisant que l’´electronique chaude offre deux modes de lecture : le mode direct, et le modeDDCS pour Double Differential Correlated Sampling mode.

Les atouts scientifiques majeurs de PACS seront d´etaill´es `a la section 8.3 o`u j’´enum`ere une liste de publications de grande qualit´e obtenue `a partie des donn´ees PACS et dont je donne les r´esultats majeurs.

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