Les bolomètres

Les détecteurs d’Herschel pour cartographier l’univers sont des caméras de bolomètres. Sur l’instrument PACS, la très grande sensibilité des bolomètres, ~10^-16 Watt, leur permettrait de détecter une ampoule électrique de 100 Watt à 300 000 km si celle-ci rayonnait intégralement dans le filtre infrarouge de PACS.

L'invention des bolomètres

Le bolomètre fut inventé en 1880 par un ingénieur américain du nom de Samuel Pierpont Langley. Il fabriqua cet instrument de mesure dans le but d'étudier la distribution de chaleur dans le spectre du Soleil. A cette époque, les physiciens spectroscopistes utilisaient des prismes en verre pour réfracter la lumière du Soleil et ainsi séparer la lumière visible et le rayonnement thermique, comme l'avait fait Herschel au début du XIX^e siècle. Cependant Langley savait que les lois qui régissent la réfraction de l'infrarouge dans un prisme dépendaient des propriétés physiques du matériau. En plus du verre, il travaillait avec des prismes en sel cristallin ou en fluorite. Il mesura d'ailleurs l'indice de réfraction du sel cristallin jusqu'à 10 µm. Il put ainsi déduire une relation entre l'angle de réfraction et la longueur d'onde, relation qu'il utilisa ensuite pour étalonner ses mesures. Aujourd'hui les bolomètres ont changé d'aspect et leur fabrication nécessite des procédés industriels.

Principes des bolomètres

Pour cartographier la poussière de l’Univers, les imageurs d’Herschel utilisent des détecteurs bolométriques. Un bolomètre est un détecteur très sensible de rayonnement. L’énergie incidente sur le détecteur est absorbée, ce qui entraîne un échauffement du bolomètre. L'élévation de température modifie la résistance électrique du bolomètre. Une batterie et une résistance de charge montées en série avec le bolomètre sont alors utilisées pour convertir ce changement de résistance en un changement de potentiel électrique. L’énergie stockée dans le bolomètre est évacuée vers une source froide par un faible lien thermique. Aujourd’hui un bolomètre est essentiellement composé de trois briques de bases: un absorbeur de rayonnement, un senseur thermique et une fuite thermique qui connecte l'absorbeur à une source froide, à 0,3 K dans le cas des bolomètres de PACS. Ces fonctions de bases sont remplies par des éléments distincts, il est ainsi possible d'optimiser séparément les performances de chacun des éléments constitutifs du bolomètre. Nous parlons alors de bolomètres composites.

À GAUCHE - L'empilement typique des éléments constituant un bolomètre composite pour l’astronomie infrarouge et submillimétrique : l'absorbeur est une couche mince de métal déposée sur un substrat dont la capacité calorifique est très faible, le thermomètre est en contact thermique avec l'absorbeur et est relié électriquement à la structure par deux connecteurs. Le courant électrique i qui circule dans la résistance R(T) dissipe une puissance électrique, dite puissance Joule, dans l'absorbeur. Une puissance photonique P_PHOT est également absorbée par le bolomètre et contribue à l'élévation de température de la partie suspendue. Le bolomètre est relié mécaniquement et thermiquement à une source froide maintenue à la température T0 par des poutres de faible conductance thermique Gth.
À DROITE - 8 matrices de bolomètres réalisées au CEA pour PACS. Chaque matrice contient 256 pixels soit au total 2000 pixels pour une voie de l’imageur PACS. L’autre voie a deux matrices.
Crédits : CEA / Thèse de Nicolas Billot