TRIREM

Plateforme de caractérisation des détecteurs pour le proche infrarouge

TRIREM (Test Research InfraRed Experimental Measurement) est une plateforme de caractérisation dédiée aux détecteurs infrarouges utilisés dans les projets d’instrumentation scientifique. Héritière des développements réalisés à l’IP2I pour la mission spatiale Euclid, elle met à disposition une infrastructure cryogénique permettant de qualifier les performances de détecteurs matriciels dans des conditions représentatives de leur environnement opérationnel.

La plateforme rassemble les compétences de l’IP2I en instrumentation, cryogénie, optique, électronique faible bruit, acquisition et analyse de données afin d’accompagner les activités de recherche et développement autour de la détection dans le proche infrarouge.

Des développements Euclid à la plateforme TRIREM

L’origine de TRIREM remonte aux développements instrumentaux réalisés à l’IP2I dans le cadre de la mission Euclid de l’Agence spatiale européenne (ESA). Cette mission vise à étudier l’Univers sombre en observant plusieurs milliards de galaxies grâce à deux instruments embarqués, dont NISP (Near Infrared Spectrometer and Photometer), dédié aux observations dans le proche infrarouge.

Afin de répondre aux exigences de qualification des détecteurs H2RG équipant NISP, l’IP2I a conçu, développé et exploité un banc cryogénique de caractérisation permettant de reproduire les conditions de fonctionnement de l’instrument spatial.

Ce banc a été utilisé tout au long des phases de développement de la mission pour la validation du système d’acquisition, la caractérisation des seize détecteurs de vol, la préparation des procédures de réglage (tuning) des modèles de vol (Flight Models) ainsi que la validation des scripts de calibration et des procédures de contrôle qualité. Ces développements ont été conduits en étroite collaboration avec plusieurs partenaires internationaux, notamment le NASA Goddard Space Flight Center (GSFC) et Markury Scientific.

Aujourd’hui, cette expertise et cette infrastructure constituent le socle de la plateforme TRIREM, dont la vocation est d’étendre ces capacités de caractérisation à de nouveaux projets scientifiques et instrumentaux.

Une plateforme dédiée à la caractérisation des détecteurs infrarouges

TRIREM développe et met en œuvre des moyens expérimentaux destinés à l’étude des performances des détecteurs pour le proche infrarouge.

La plateforme permet d’évaluer le comportement des détecteurs dans un environnement cryogénique maîtrisé, où les contributions thermiques sont fortement réduites afin d’accéder aux performances intrinsèques des composants.

La caractérisation d’un détecteur infrarouge nécessite l’étude de plusieurs propriétés instrumentales, telles que le bruit de lecture, le courant d’obscurité, la non-linéarité ou encore les effets de persistance. Chaque propriété fait l’objet d’une campagne de mesures spécifique, suivie d’une analyse détaillée des données acquises et de la production d’un rapport de caractérisation regroupant les résultats expérimentaux obtenus dans des conditions maîtrisées.

Les campagnes de caractérisation portent notamment sur :

• les courants d’obscurité (dark current) ;
• le bruit de lecture ;
• la stabilité thermique des détecteurs ;
• les effets de persistance et de non-linéarité ;
• le développement et la validation de procédures de calibration et de contrôle qualité.

Les données acquises permettent d’améliorer la compréhension des performances instrumentales et de développer les méthodes d’analyse nécessaires aux futures générations d’instruments scientifiques.

Système d’acquisition et automatisation

Pour chaque propriété étudiée, le scientifique définit un scénario d’acquisition décrivant la succession des mesures à effectuer ainsi que la configuration des instruments associés. Dans le cadre des campagnes de caractérisation de détecteurs infrarouges, ces scénarios peuvent durer plusieurs heures, ce qui rend indispensable l’automatisation complète des séquences expérimentales.

Le DAS (Data Acquisition System), développé à l’IP2I, répond à ces exigences. Il permet l’exécution automatique de scénarios d’acquisition complexes pour la caractérisation des détecteurs infrarouges, incluant le pilotage des instruments, l’enchaînement des séquences expérimentales et l’enregistrement des données.

Le système a démontré sa robustesse lors de la phase TV1 de caractérisation des seize détecteurs de vol de l’instrument NISP du télescope Euclid, au cours de laquelle il a assuré l’enchaînement automatique des scénarios pendant près de trois semaines en fonctionnement continu 24 h/24, avec un taux d’efficacité de l’ordre de 94 % par rapport à une acquisition théorique ininterrompue.

Cette automatisation garantit la reproductibilité des mesures, optimise le temps d’exploitation des bancs expérimentaux et permet la réalisation de campagnes de caractérisation de longue durée.

Moyens expérimentaux

Le cœur de la plateforme repose sur un banc cryogénique conçu pour accueillir des détecteurs infrarouges matriciels dans un environnement sous vide à température contrôlée.

L’infrastructure comprend notamment :

• un cryostat refroidi par tube pulsé ;
• une régulation thermique de haute stabilité ;
• une électronique de lecture dédiée aux détecteurs infrarouges ;
• des systèmes d’illumination et d’obturation pour les campagnes de calibration ;
• les moyens de contrôle-commande, d’acquisition et de surveillance de l’installation ;
• une chaîne logicielle dédiée au pilotage des essais et à l’analyse des données.

Cette architecture permet de réaliser des acquisitions de type dark, des séquences de calibration ainsi que des campagnes complètes de caractérisation sur des détecteurs infrarouges scientifiques.

TRIREM met à disposition des projets de recherche une expertise couvrant l’ensemble de la chaîne de caractérisation instrumentale :

• intégration de détecteurs infrarouges ;
• exploitation d’environnements cryogéniques ;
• maîtrise des performances optiques et électroniques ;
• développement de protocoles expérimentaux ;
• acquisition et traitement de données ;
• validation de procédures de calibration et de contrôle qualité.

L’expérience acquise dans le cadre de la mission Euclid constitue aujourd’hui un socle technique permettant d’accompagner le développement de nouveaux instruments et de softwares nécessitant une caractérisation fine de détecteurs infrarouges.

La plateforme TRIREM poursuit l’évolution des moyens expérimentaux développés à l’IP2I afin de répondre aux besoins des futurs projets instrumentaux.

Au-delà de son héritage Euclid, elle a vocation à devenir une infrastructure de support à la recherche pour les collaborations nécessitant des campagnes de caractérisation de détecteurs infrarouges, le développement de nouvelles méthodologies de mesure ou la validation de chaînes d’acquisition et de traitement des données.

Par cette activité, TRIREM contribue à la préparation des futures générations d’instruments destinés à l’astrophysique, à la cosmologie et, plus largement, aux applications scientifiques nécessitant des mesures dans le proche infrarouge.