Equipements expérimentaux

L’originalité et le point fort du groupe Détecteurs Cryogéniques est de posséder un environnement expérimental et technique diversifié permettant la réalisation et le suivi d’échantillons ou de détecteurs complets, de leur phase de conception et fabrication à l’étude de leurs propriétés à très basse température (jusqu’à 5mK).

Pour cela le groupe possède plusieurs évaporateurs ultravide conçus entièrement dans l’équipe, regroupés dans une salle blanche de classe 100000. Ils permettent de réaliser notamment des co-évaporations (couches de Niobium-Silicium ou d’Yttrium-Silicium) avec bombardement ionique in-situ pour le nettoyage des surfaces avant l’évaporation. Les vides limite typiques atteints sont de quelques 10-9 mbar après étuvage et quelques 10-7 mbar pendant les évaporations. Ceux ci sont équipés de canons à électrons (3 ou 10 kW) et de creusets à effet Joule. Des systèmes de changeurs de masques permettent d’obtenir des films de géométries et d’épaisseurs variées au cours d’une même évaporation. La production de films est optimisée par l’utilisation de sas d’introduction. Les matériaux suivants sont couramment évaporés par l’équipe : Nb, Si, Al, Au, Ti, Ag, Pb, SiO, Y.


Evaporateur NbSi

Evaporateur « Niobium-Silicium » avec son sas d’introduction utilisé pour la réalisation des couches minces par coévaporation. Un système de rotation d’échantillon permet d’obtenir une très bonne homogénéité de l’échantillon.


Evaporateur Précontacts

Evaporateur « Précontacts » avec son sas d’introduction. Ce bâti est utilisé pour la réalisation de couches minces de divers type : précontacts, anneaux de garde des bolomètres. Il est équipé d’un système de rotation de l’échantillon et d’adjonction de gaz (Oxygène, hydrogène, argon).


Evaporation

Coévaporation de Niobium-Silicium photographiée in-situ. Sur la gauche le creuset de Si, sur la droite le Nb et au milieu de creuset à effet joule du SiO qui sert de couche de protection du film NbSi.

Tous les bolomètres massifs sont ainsi entièrement réalisés au CSNSM. Cependant, pour la fabrication de matrices de bolomètres, pour lesquelles les géométries intéressantes sont de trop petite taille pour être obtenues avec des masques de type mécanique, certaines partie de la fabrication sont effectués par des techniques de lithographie en collaboration avec la centrale de technologie “MINERVE”. Cela concerne par exemple la fabrication des membranes de Si3N4 des pixels des matrices, ou la gravure par voir réactive (RIE).

La salle blanche est équipé en outre d’une machine de « bonding » pour réaliser les micro-contacts électriques sur les films évaporés à l’aide de fils d’or ou d’aluminium de 25 ou 50 microns, d’un four de recuit sous atmosphère contrôlée et de boites de stockage sous flux d’azote sec pour conserver les bolomètres réalisés.


Interdigit

Bolomètre de type « INTERDIGIT » à électrodes annulaires utilisé dans l’expérience Edelweiss.


Bolomètre NbSi

Bolomètre de type « NbSi » à peignes inter digités utilisé dans l’expérience Edelweiss.

Les détecteurs ou les échantillons sont ensuite étudiés sur l’un des cinq bancs de test du groupe. Tous sont équipés de cryostat à dilution 3He-4He, le plus performant (température limite 7 mK) étant dédié à l’étude des propriétés fondamentales des couches minces de NbSi. Deux autres cryostats sont utilisés pour l’étude des détecteurs massifs, le plus gros ayant un volume utile d’environ 1 litre et peut descendre jusqu’à 15 mK. Ils sont équipés de câblages coaxiaux bas-bruit, d’une électronique froide à base de FET et de systèmes d’acquisition et de traitement de données développés dans l’équipe. Nous avons par ailleurs 2 cryostats dits “DRY”, ne nécessitant pas l’apport de fluides cryogéniques, dont un est équipé d’un champ magnétique de 7 T et l’autre est dédié aux tests des bolomètres.


Cryostat

Vue d’ensemble du banc de test dédié à l’étude de gros détecteurs. Il est équipé d’un système d’amortissement pour lutter contre la microphonie ainsi que d’un blindage en Pb limitant le bruit de fond environnemental du laboratoire.

Le groupe utilise également en parallèle l’infrastructure expérimentale du CSNSM auquel il a un accès privilégié. L’accélérateur ARAMIS permet notamment des analyses par RBS pour vérifier la composition des échantillons, et l’implanteur IRMA peut être utilisé pour modifier les propriétés fondamentales des couches de NbSi par bombardements ionique.