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Matrices LEKIDs grand format pour l'astronomie millimétrique

By Shibo Shu

Abstract

Millimeter-wave astronomy contains rich information from the cosmic microwave background to cold matter, like cosmic dust and molecular gas. It is one of the key wavelengths to understand star formation and the evolution of the universe. The IRAM 30-m telescope is one of the largest telescopes in the millimeter wavelength range. It fully covers from the 2 mm to 0.8 mm atmospheric windows. For continuum wave observation, the NIKA2 instrument is designed for the 2 mm and 1 mm windows, and has been producing scientific results since 2017. NIKA2 has angular resolutions of 17.5" for 2 mm wavelength and 10.9" for 1 mm wavelength with a 6.5' field-of-view. To cover the 80 mm focal plane, 4-inch kilo-pixel lumped-element kinetic-inductance detector (LEKID) arrays are installed. This thesis studies possible improvements of the LEKID design utilized in the NIKA2 instrument, in order to render the instrument even more powerful in the available frequency windows.In this thesis, we first introduce the scientific motivation in Chapter 1 and the principles of LEKID in Chapter 2. In Chapter 3, the optical response of the current NIKA2 1 mm array is simulated and compared to measurements. The simulation shows the Hilbert curve inductor design has a 100% absorption efficiency. The measurement matches the simulated frequency response. In Chapter 4, we made a small pixel design to improve on-telescope angular resolution. The measurements show that the resolution can be improved from 10.9" to 10.2" with the new design. In Chapter 5, we applied the capacitor trimming technique on a compact and quasi lumped-element pixel design. Before trimming only 71% resonators can be used in the limited bandwidth. After trimming a yield of 97% is achieved. In Chapter 6, We further extended this technique on a 4-inch kilo-pixel array design. The optical yield of 76% is achieved, limited by the readout system and fabrication yield, instead of by the trimming technique. In Chapter 7, we developed a new method to locate the positions of resonators by measuring the reflected phase. We discuss the potential to use this technique on a large format array.L'astronomie des ondes millimétriques contient de précieuses informations allant du fond diffus cosmologique aux matières froides, telles que la poussière cosmique et les gaz moléculaires. C'est l'une des longueurs d'onde clé pour comprendre la région de formation des étoiles et l'évolution de l'univers. Le télescope de 30 m de l'IRAM est l'un des plus grands télescopes aux longueurs d'onde millimétriques. Il couvre entièrement les fenêtres atmosphériques de 1 mm et 2 mm. Pour l'observation des ondes continues, l'instrument NIKA2 est conçu pour ces deux fenêtres et a fourni des résultats scientifiques prometteurs depuis 2017. NIKA2 a une résolution angulaire de 17,5" pour une longueur d'onde de 2 mm et de 10,9" pour une longueur d'onde de 1 mm avec un champ de vue de 6,5'. Pour couvrir le plan focal de 80 mm, des réseaux de détecteurs à inductance cinétique (LEKID) de 4 pouces de diamètre sont installés. Les LEKID se sont développés rapidement au cours de la dernière décennie grâce à leur structure simple, leurs dimensions adaptables et le besoin de matrices de détecteurs grand format. Cette thèse étudie les possibles améliorations de la structure LEKID utilisée pour l’instrument NIKA2 1 mm, afin de le rendre d’autant plus puissant dans la bande de fréquence disponible.Dans cette thèse, nous présentons d'abord la motivation scientifique au chapitre 1 et le concept de LEKID au chapitre 2. Dans le chapitre 3, la réponse optique du réseau NIKA2 actuel de 1 mm est simulée et comparée aux mesures. La simulation montre que la structure de l'inductance à courbe de Hilbert a une efficacité d'absorption de 100 %. La mesure est en accord à la réponse en fréquence simulée. Au chapitre 4, nous avons conçu un pixel de taille réduite pour obtenir une résolution angulaire plus élevée. Les mesures montrent une amélioration de la résolution de 10,9" à 10,2" avec le nouveau design. Dans le chapitre 5, nous avons appliqué une technique de rognage du condensateur à un pixel compact. Avant le rognage, seulement 71% des résonateurs sont exploitables dans la bande passante donnée. Après le rognage, un rendement de 97% est atteint. Dans le chapitre 6, nous avons étendu cette technique à la conception d'une matrice kilo-pixels de 4 pouces de diamètre. Le rendement optique de 76% est atteint, limité par le système de lecture et le rendement de fabrication au lieu de la technique de rognage. Au chapitre 7, nous avons développé une nouvelle méthode pour localiser les positions des résonateurs en mesurant la phase réfléchie. Nous avons discuté de la possibilité d'utiliser cette technique sur une matrice de détecteur grand format

Topics: Astronomy, Kinetic inductance detector, Microresonator, Superconductor, Millimeter, Kinetic inductance detecteur, Microresonateur, Superconducteur, Millimetre, Astronomie, [SPI.OPTI]Engineering Sciences [physics]/Optics / Photonic, [PHYS.ASTR.IM]Physics [physics]/Astrophysics [astro-ph]/Instrumentation and Methods for Astrophysic [astro-ph.IM]
Publisher: HAL CCSD
Year: 2019
OAI identifier: oai:HAL:tel-02493945v1
Provided by: Thèses en Ligne
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