TES résistif et électronique cryogénique de contre-réaction active associée

Since a few years, CSNSM, Orsay, is capable of co-evaporating niobium and silicon into highly resistive TES (HRTES) meanders. This high impedance allows the use of transistors as readout electronics. The first stage of this electronics can be placed away from the thermometers reducing Joule power on the colder stage of the cryocooler. Also, multiplexing is greatly simplified. This manuscript aims to study the credibility of HRTES as high resolution microcalorimeters. A model of the HRTES and its active electrothermal feedback is resolved analytically and numerically. The parameters of this model are computed with experimental data. The numerical solving of the model is constantly compared to the thermal equilibrium and dynamic measured data. This comparison shows coherence between model and data. The analytical solving is used to compute a theoretical resolution and to optimize the detector. The resulting theoretical resolution does not conflict with Athena’s objective of less than 2.5 eV. It also shows that effects of the electrons/phonons decoupling are greatly reduced and that the HRTES can be stabilized at desired bias point. All of this work encourages further development efforts.Depuis quelques années, le CSNSM d’Orsay est capable de fabriquer des pistes en niobium et silicium en méandres qui forment des microcalorimètres TES à haute résistivité (HRTES). La haute impédance permet l’utilisation d’une électronique de lecture à base de transistors. Cela simplifie le multiplexage et offre la possibilité de déplacer le premier étage de lecture à un étage plus chaud du cryogénérateur limitant alors la puissance Joule dissipée sur l’étage des thermomètres. Le travail de ce document vise à étudier la crédibilité des HRTES en tant que détecteur haute résolution à l’aide d’une contre-réaction active en proposant un modèle thermoélectrique résolu analytiquement et numériquement. Les paramètres de ce modèle sont déterminés expérimentalement. Les mesures de la résolution numérique du modèle sont confrontées aux mesures à l’équilibre thermique et lors d’une excitation thermique. Il donne des résultats très cohérents. La résolution analytique du modèle permet de faire des projections de résolution et d’optimisation du détecteur. La résolution théorique qui en découle ne s’oppose pas à l’objectif de moins de 2,5 eV d’Athéna. Cette étude indique aussi que la contre-réaction active réduit les effets du découplage électrons/phonons et stabilise le HRTES au point de polarisation souhaité. Elle encourage à poursuivre les efforts de développement

High resistivity TES and cryogenic electronics for an active electrothermal feedback

Depuis quelques années, le CSNSM d’Orsay est capable de fabriquer des pistes en niobium et silicium en méandres qui forment des microcalorimètres TES à haute résistivité (HRTES). La haute impédance permet l’utilisation d’une électronique de lecture à base de transistors. Cela simplifie le multiplexage et offre la possibilité de déplacer le premier étage de lecture à un étage plus chaud du cryogénérateur limitant alors la puissance Joule dissipée sur l’étage des thermomètres. Le travail de ce document vise à étudier la crédibilité des HRTES en tant que détecteur haute résolution à l’aide d’une contre-réaction active en proposant un modèle thermoélectrique résolu analytiquement et numériquement. Les paramètres de ce modèle sont déterminés expérimentalement. Les mesures de la résolution numérique du modèle sont confrontées aux mesures à l’équilibre thermique et lors d’une excitation thermique. Il donne des résultats très cohérents. La résolution analytique du modèle permet de faire des projections de résolution et d’optimisation du détecteur. La résolution théorique qui en découle ne s’oppose pas à l’objectif de moins de 2,5 eV d’Athéna. Cette étude indique aussi que la contre-réaction active réduit les effets du découplage électrons/phonons et stabilise le HRTES au point de polarisation souhaité. Elle encourage à poursuivre les efforts de développement.Since a few years, CSNSM, Orsay, is capable of co-evaporating niobium and silicon into highly resistive TES (HRTES) meanders. This high impedance allows the use of transistors as readout electronics. The first stage of this electronics can be placed away from the thermometers reducing Joule power on the colder stage of the cryocooler. Also, multiplexing is greatly simplified. This manuscript aims to study the credibility of HRTES as high resolution microcalorimeters. A model of the HRTES and its active electrothermal feedback is resolved analytically and numerically. The parameters of this model are computed with experimental data. The numerical solving of the model is constantly compared to the thermal equilibrium and dynamic measured data. This comparison shows coherence between model and data. The analytical solving is used to compute a theoretical resolution and to optimize the detector. The resulting theoretical resolution does not conflict with Athena’s objective of less than 2.5 eV. It also shows that effects of the electrons/phonons decoupling are greatly reduced and that the HRTES can be stabilized at desired bias point. All of this work encourages further development efforts

High impedance TES with classical readout electronics: a new scheme toward large x-ray matrices

International audienceHigh impedance transition edge sensors (TES) are good candidates to constitute the sensitive part of new X-ray spectroimagers for the spatial X-ray observation, with even greater number of pixels. We test this solution in this context, developing an original scheme of readout that consist in implementing an active electro-thermal feedback, performed by a low noise cryogenic electronics, in order to solve the problematic effects of the electron-phonon decoupling, to ensure the stability of the system, and to increase the dynamic range of the detector. This paper presents the status of our developments, including the characterisation of the sensor, the experimental test of the active electro-thermal feedback, and our very first results of photon detection.© (2018) COPYRIGHT Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). Downloading of the abstract is permitted for personal use only

High-Resistivity Transition-Edge Sensor Modeling and Expected Performances

International audienceHigh spectral resolution detectors based on low-resistivity transition-edge sensors (TES) are being developed for future X-ray spatial observatories, but difficulties (cryogenics limitations) are to be expected in next generation’s detectors with even more pixels. A new technology, the high-resistivity TES (HRTES), is likely to offer similar performance to existing TES when associated to an active electrothermal feedback, adding the possibility of moving the readout electronics to a 2.5 K stage of the cryocooler. This work aims to investigate HRTES by making a precise model of the device, comparing it to experimental measurements, and deducing its performance potential