LERMA UMR8112

Laboratoire d’Études du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique et Atmosphères



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Le groupe d’instrumentation

publié le , mis à jour le

Le groupe d’instrumentation se concentre des instruments hétérodynes submillimetrique à THz pour l’astronomie , la planétologie et de la télédétection, mais nous sommes ouverts à d’autres applications . Le groupe d’instrumentation (également appelé GEMO - groupe Groupe Expérimental Micro -Ondes ) effectue beaucoup de recherche et de développement des composants. Le GEMO est bien représenté à de conférences internationales et publie dans des revues clés . Ses membres organisent des conférences et sont dans de nombreux comités. Le laboratoire est très bien équipé et est physiquement situé à l’observatoire de Paris. Les activités du groupe peuvent être divisés en trois sous-groupes :
- Technologie Schottky
- Mélangeurs cryogéniques (SIS et HEB )
- Instrumentation

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Salle micro montage

Technologie Schottky au LERMA en partenariat avec Laboratoire de Photonique ET Nanostructures - CNRS "

Parmi les différentes technologies disponibles pour construire des récepteurs hétérodynes THz pour la radio - astronomie et l’aéronomie , la technologie des diodes Schottky plane joue un rôle crucial . En fait, c’est le choix de la technologie qui permet la construction de multiplicateurs de fréquence à haute efficacité capable d’atteindre le THz . Il est donc la technologie la plus souvent utilisée pour la construction des oscillateurs locaux compacts et robustes pour les récepteurs hétérodynes pour les observatoires spatiaux comme Herschel , lancé avec succès du mai 2009, par l’Agence spatiale européenne . La technologie de mélangeur à diode Schottky est aussi important pour des mission de longue durée en planétologie et télédétection qui ne peuvent pas se permettre de la masse , la puissance et finalement le coût de systèmes de refroidissement cryogéniques et des cryostats de l’hélium liquide car il est la seule technique disponible pour construire des mélangeurs sous-millimétriques de faible bruit qui fonctionnent à température ambiante .
LERMA a une expertise solide et est bien établie dans la conception de multiplicateurs de fréquence THz et des mélangeurs Schottky. Notamment, il a conçu ou re-conçu pour le Jet Propulsion Laboratory ( NASA -Caltech ) plusieurs multiplicateurs de fréquence THz de Herschel- HIFI ( * ) bande 6 et 7 bande. Il a également conçu la première chaîne de multiplicateur à 2,5 2.7THz, qui était fabriqué par le JPL .
Depuis 2012 , LERMA a développé un procédé de Schottky en partenariat avec LPN qui permet la fabrication de MMIC à diodes Schottky anode submicroniques pour de travail aux fréquences THz . Ce processus est entièrement basé sur la lithographie électronique. Les dispositifs LERMA - IAA sont fabriquées sur de fines membranes de GaAs et ont des beamleads pour connecter à la masse. Ces beamleads sont fabriqués avec un procédé de côté avant pour plus de précision et de flexibilité. Cette méthode de fabrication du LEMRA - LPN va être utiliser pour fabriquer les multiplicateur Schottky pour JUICE - SWI ( ** ) .

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Prototype de doubler de fréquence pour JUICE-SWI.

LERMA a récemment lancé une collaboration avec l’Université de Salamanque - Dpto . Física et appliquées , Ecole polytechnique supérieure de Zamora sur la modélisation physique des diodes Schottky THz utilisant 2D DC et AC Monte Carlo simulations . Ce travail vise à améliorer la conception de circuits THz Schottky , en particulier pour JUS - SWI .

( * ) Herschel Instrument hétérodyne pour l’ infrarouge lointain , lancé par l’ESA en mai 2009. HERSCHEL mis fin à ses opérations en 2013 .

( ** ) Jupiter Icy Moons Explorer - Submillimer Instrument Wave étudier la structure de la température , la composition et la dynamique de la stratosphère et la troposphère de Jupiter , et les exospheres et surfaces des lunes glacées . SWI est un spectromètre hétérodyne utilisant une antenne de 30 cm et de travailler dans deux domaines spectraux 1080 à 1275 GHz et de 530 à 601 GHz avec un pouvoir de résolution spectrale de 1E7 .

Mélangeurs cryogéniques ( SIS et HEB )

Mélangeurs à bolomètre à électrons chauds (HEB) à supraconducteur
Le bolomètre à électrons chauds (HEB) à supraconducteur s’est révélé un bon candidat comme élément mélangeur pour les récepteurs hétérodynes dans le domaine THz. Nous développons, en collaboration avec le LPN, les mélangeurs HEB en NbN avec antenne planaire intégrée sur substrat épais ou sur membrane. Le procédé de fabrication des HEB entièrement réalisé en utilisant la lithographie électronique est un succès. La Fig. 1 illustre un exemple des composants HEB réalisés. Il consiste en un pont en NbN d’une largeur de 2 µm, d’une longueur de 0.2 µm et d’une épaisseur de 3 nm. Lors d’une campagne de mesures dans le cadre d’un programme de recherche européen, un des mélangeurs réalisés en configuration lentille/antenne intégrée a démontré une température de bruit à l’état de l’art : 800 K à 2,5 THz.

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Fig. 1 Prise de vue au MEB du mélangeur HEB en quasi-optique. Le pont en NbN est connecté à l’antenne spirale en Au. La photo en médaillon est un zoom sur le pont mesurant 2 µm de large et 0,2 µm de long.

Nous avons aussi conduit des études sur un nouveau concept des mélangeurs HEB en utilisant des composants sur membrane dans le but d’offrir une solution alternative aux composants sur substrats épais afin d’améliorer le faisceau, diminuer la perte et faciliter l’intégration pour les futurs développements dans une gamme de fréquence beaucoup plus élevée. Le procédé de fabrication est partiellement réalisé au LPN et ensuite complété au LERMA. Le concept consiste à réaliser un HEB par refroidissement par phonons et son antenne planaire sur une membrane en SiO2/Si3N4 d’une épaisseur de 1,4 µm et à utiliser un miroir focalisant pour coupler le signal incident au HEB. Les mesures hétérodynes à 600 GHz sur un mélangeur employant ce nouveau concept ont été effectuées avec succès.
Nous travaillons activement sur le couplage de l’émission d’un laser THz à cascade quantique au mélangeur HEB. Nous collaborons actuellement avec l’IEF sur des expériences utilisant les QCL comme oscillateur local pour des fréquences au-delà de 2 THz.

Jonction à Supraconducteur-Isolant-Supraconducteur (SIS)

1. Mélangeurs SIS pour le canal 1 de l’instrument Herschel-HIFI
Notre laboratoire avait la responsabilité du développement et de la réalisation des mélangeurs du canal 1 de l’instrument Herschel-HIFI couvrant la gamme de fréquence entre 480 et 640 GHz, en collaboration avec l’IRAM qui était chargé de la fabrication des jonctions SIS. Plusieurs concepts innovants ont été adoptés pour la réalisation de ces récepteurs. Les mélangeurs du canal 1 livrés sont les seuls parmi tous les mélangeurs de l’instrument HIFI présentant une sensibilité meilleure que la spécification de l’ESA. La
Fig.2 montre la température de bruit et la spécification requise sur toute la bande du canal 1. Durant plus de 3 ans d’observation (2009-2013) en orbite, les mélangeurs du canal 1 sont restés les plus sensibles et ont totalisé le nombre de demande d’observations le plus élevé.

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Fig. 2 Température de bruit du mélangeur SIS livré sur toute la bande de fréquence du canal 1 de HIFI.

2. Recherche et développement sur les jonctions SIS
Avec les moyens de la salle blanche du "Pôle instrumental", nous avons développé avec succès le procédé de fabrication des jonctions SIS en Nb. Nous envisageons de développer avec l’aide du bâti de pulvérisation nouvellement acquis les jonctions SIS en NbN et en NbTiN dans le but d’augmenter leur fréquence de travail. Les travaux de recherche en cours concernent principalement l’étude de l’émission en THz d’un réseau de petites jonctions en parallèle avec l’objectif de construire les récepteurs SIS intégrés.

Instrumentation

Le groupe d’instrumentation fournit des composants pour et construit des instruments scientifiques. D’une part le GEMO construit une partie de son propre équipement de test pour permettre la caractérisation des composants développés. Le groupe a construit plusieurs spectromètres à transformée de Fourier , un stand de mesure de faisceau , une banc de test pour la fréquence intermédiaire. Le GEMO a aussi des banc des test pour les mélangeurs Schottky et cryogéniques. D’autre part, le groupe est impliqué dans des instruments scientifiques soit en tant que PI ou comme un partenaire majeur . Récemment, le groupe d’instrumentation LERMA a livré le 1 mélangeur SIS du band 1 de HIFI du satellite Herschel, et le laboratoire a participer a réaliser l’instrument MIRO pour ROSETTA, en plus d’autres . Il est maintenant responsable pour le synthétiseur à bande W de l’instrument SWI sur le satellite JUICE. Dans un ANR ( Imolabs ) récent avec les astronomes et les chimistes partie LERMA va développer de nouveaux instruments pour la spectroscopie moléculaire. Le groupe LERMA est bien représenté dans les propositions pour de nombreuses missions à venir , comme le satellite Millimetron , le satellite FIRI , le CII mapper et le satellite THEO .

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Banc FTS sous vide

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Banc de Mesure dans la cage de Faraday

liens :
HIFI - http://herschel.jpl.nasa.gov/hifiInstrument.shtml
Herschel - http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Herschel/
MIRO - http://sci.esa.int/rosetta/35061-instruments/?fbodylongid=1641
ROSETTQ - http://sci.esa.int/rosetta/
JUS - http://sci.esa.int/juice/
Millimetron - http://asc-lebedev.ru/index2.php?engdep=20
Imolabs - http://astro.ens.fr/index.cgi?exe=1389742

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Séminaires à venir

Vendredi 5 avril 2019, 14h00
Salle de l'atelier, Paris
The magnetized interstellar medium in the Galaxy through Faraday tomography of the radio sky
Andrea BRACCO
ENS
résumé :
The study of the diffuse Galactic interstellar medium (ISM) is both a
waypoint to investigate the processes that turn gas into stars and to
account for foreground contaminations in modern high-precision
cosmological probes of the Universe.

New structures in the diffuse ionized and magnetized ISM have been
recently observed through Faraday tomography of polarization data at low
radio frequencies. Although the physical origin of these structures
remains uncertain, interesting correlations with tracers of neutral ISM,
such as atomic hydrogen lines and interstellar dust polarization, have
been found. This opens an observational window on the first stages of
phase transition between diffuse/warm and denser/colder gas under the
presence of magnetic fields, allowing us to constrain their role in
structure formation in the ISM.

In my talk I will present an overview of the recent findings in the
diffuse Galactic ISM with the LOFAR radio polarization data. I will
highlight the relevance of a thorough statistical description of these
data both for Galactic studies and for modeling their impact as a
foreground to the detection of the atomic hydrogen 21cm hyperfine
transition from the Epoch of Reionization, a key step with the upcoming
Square Kilometre Array (SKA).
 
Vendredi 12 avril 2019, 14h00
Salle de l'atelier, Paris
Radiation magnetohydrodynamic models and spectral signatures of plasma flows accreting onto young stellar object
Salvatore COLOMBO
LERMA
résumé :
According to the largely accepted magnetospheric accretion scenario, classical T Tauri Stars (CTTSs) are young stars that accrete material from their circumstellar disk. The objective of my PhD project is to shed light on the processes governing the physics of the accreting plasma flows, through complete radiation magnetohydrodynamic models. In this talk, I will present the results obtained during my 18 month period in Paris.

First, I will focus on the results obtained from a 3D magnetohydrodynamical (MHD) model of a star-disk system. We simulate the effects of series of flares occurring on the surface of the disk. We observe that each flare produces a hot loops that links the star to the disk; all the loops build up a hot extended corona that irradiates the disk from above. Moreover, the flares trigger overpressure waves that travel through the disk and modify its configuration. Accretion funnels may be triggered by the flaring activity and thus contribute to the mass accretion rate of the star. The accretion columns can be perturbed by the flares. As a result, the streams are highly inhomogeneous, with a complex density structure, and clumped.

Second, I will provide the first assessment of the role of radiation effects on the dynamics and the structure of the impact region of the accreting column onto the stellar surface. In particular, we proved the existence of a radiative precursor in the pre-shock part of the accreting column. To achieve such a result, we have, for the first time, developed a Non Local Thermodynamic Equilibrium (non-LTE) radiation hydrodynamics model, which we implemented in the 3D MHD PLUTO code.”

 
Vendredi 21 juin 2019, 14h00
Salle de l'atelier, Paris
Accretion-driven turbulence and observational signatures
Pierre GUILLARD
IAP
 
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