19 Juin 2014

Instrument HFI

L'instrument HFI (High Frequency Instrument), qui est la fourniture française à la charge utile scientifique de la mission PLANCK :

  • est composé de bolomètres 83 GHz - 857 GHz fonctionant à une température de 0.1 K,
  • sa résolution angulaire est de 5 arcmin,
  • sa sensibilité en température est de 5 µK à 100 GHz.

Étalonnage HFI PFM - Crédits IAS - CNES
Crédits IAS - CNES

Il a été défini pour mesurer le fond diffus dans la partie du spectre où il est maximum et où la contamination de la mesure par les sources de premier plan est minimale. Ses six bandes ont été optimisées pour identifier au mieux les sources haute fréquence afin d'éliminer leur contribution résiduelle. L'instrument est basé sur l'utilisation de bolomètres à très basse température (0,1 Kelvin), dont la sensibilité sera limitée principalement par le bruit de photons du fond diffus lui-même et, aux courtes longueurs d'onde, par le bruit de photons du rayonnement thermique du télescope, bien que celui-ci ait une faible émissivité et soit refroidi à 50 K. Il approche donc la limite de sensibilité théorique pour ce type de mesures. Par ailleurs, le système de lecture des bolomètres, basé sur une polarisation modulée, présente un très bas niveau de bruit à basse fréquence. Cela permet une stratégie de mesure basée sur la rotation du satellite à 1 tour par minute et sur le balayage de cercles sur le ciel dans une direction approximativement perpendiculaire à la direction du soleil, ce qui permet de couvrir deux fois le ciel au cours (d'un peu plus) d'une année.

Les meilleurs détecteurs disponibles à l'heure actuelle ont un absorbant du type toile d'araignée (spider web) et un thermomètre en germanium dopé par transmutation (NTD). Ils sont développés par Caltech/JPL. Les électroniques de lecture sont développées en France (CESR) et constituent un apport essentiel au projet. Le refroidissement des bolomètres à 100mK, nécessaire à l'obtention des performances requises, est assuré grâce au réfrigérateur à dilution en boucle ouverte (invention CNRS/CRTBT couverte par un brevet CNES). Des réserves d'hélium 3 et d'hélium 4 comprimés dans des sphères donnent une autonomie d'au moins 14 mois au réfrigérateur.

De cette exigence de 0.1K au plan focal découle toute l'architecture instrumentale HFI. Ceci est obtenu par le pré-refroidissement passif de la charge utile et du télescope à moins de 60K (-213°C). Deux refroidisseurs actifs (compresseurs 20K à absorption + compresseurs mécaniques 4K) en cascade baissent encore cette température jusqu'à 4K, température à partir de laquelle démare le réfrigérateur à dilution jusqu'à 0,1K.

Le télescope, d'un diamètre utile de 1,5m, est du type grégorien hors axe sans obstruction, de façon à minimiser la lumière parasite produite par diffraction. Le couplage des détecteurs avec le télescope est assuré par des cornets corrugués, qui définissent des faisceaux gaussiens, et permettent un strict contrôle de la lumière parasite. Des filtres interférentiels permettent de contrôler le domaine spectral atteignant les bolomètres. Leur répartition sur les étages cryogéniques à 0,1K, 1,6K, et 4K permettent de limiter les charges thermiques sur les étages cryogéniques les plus sensibles.

Instrument HFIDetail de l instrument HFI
Plan focal HFI - Crédits HFI

L'instrument HFI est construit par un consortium dirigé par Jean-Loup Puget de l'Institut d'Astrophysique Spatiale (IAS, Orsay, France).

contribution française à HFI
Crédits HFI