Tes, Micro-Électronique, NbSi, Asic, Astropysique rayon X, Electronique cryogénique, Instrumentation, Haute impédance

La recherche et l'observation en astrophysique de l'univers dans la gamme des rayons X (spectro-imagerie X) nécessite des détecteurs formés de larges matrices de microcalorimètres fonctionnant à très basse température (50 mK) afin d'obtenir des informations à grande résolution spectrale et spatiale. L'absorption par le détecteur d'un photon X provenant de l'objet céleste observé provoque une micro-élévation de température du détecteur. La mesure de cette élévation de température, directement liée à l'énergie du photon, requiert des micro-thermomètres ultra-sensibles, et une électronique cryogénique à très bas bruit capable de les lire. Deux technologies de thermomètres ont été utilisées jusqu'ici : les thermomètres à transition métal-isolant (MIS) en silicium dopé, de haute impédance, et les thermomètres à transition supraconductrice (TES), de très basse impédance. Chacune nécessite une électronique très spécifique, soit à base de transistors HEMT pour s'adapter aux hautes impédances, soit à base de SQUID pour s'adapter aux très basses impédances. Les hautes impédances ont l'avantage d'une dissipation thermique sur l'étage de détection extrêmement réduite, ce qui autorise un grand nombre de pixels, tandis que les TES très basse impédance, plus sensibles que les MIS, facilitent l'obtention d'excellentes résolutions spectrales. Il y a quelques années, un nouveau type de thermomètres a été mis au point par le CNRS/IJCLab: il s'agit de TES haute impédance, permettant potentiellement de concilier les avantages de l'un et l'autre types de détecteurs. L'objectif de cette thèse est de valider la faisabilité d'une matrice de plusieurs milliers de pixels à partir de cette nouvelle technologie. Pour cela, trois axes de travail sont conduits en parallèle : d'une part mener à bien un travail complet d'amélioration et d'optimisation des détecteurs et de la chaine de lecture, destiné à tirer du dispositif ses meilleures performances, d'autre part concevoir et tester le système électronique intégré (ASIC CMOS) de multiplexage à 50 mK, indispensable à la réalisation de futures grandes matrices. Enfin, le troisième axe est le développement d'un dispositif expérimental cryogénique fiable, robuste et modulaire. La difficulté principale tient dans les conditions de mise en œuvre du système : le détecteur doit être placé dans un cryo-générateur pour être refroidi à très basse température (50 mK), et doté d'une électronique cryogénique, à concevoir, fonctionnant à 4 K d'un part pour l'amplificateur et 50 mK d'autre part pour le multiplexage. Celle-ci devra assurer non seulement le multiplexage et l'amplification du signal mais également, en dépit de ce multiplexage, le maintien d'une contre-réaction électrothermique active des détecteurs, et ceci tout en satisfaisant aux contraintes de bruit et de dissipation thermique extrêmement sévères qu'exige la cryogénie spatiale.