NIKA / NIKA 2: The New IRAM KID Array

NIKA est une camera à base de matrices de KIDs (Kinetic Inductance Detectors) pour des observations dans deux bandes centrées à 1.25mm et 2.05mm avec le telescope de 30 m de l'IRAM. Il s'agit d'une collaboration internationale coordonnée par le LPSC, l’institut Néel et l’IPAG rassemblant  la France (IAS, CEA, IRAP, IEF, IAP), le Royaume-Uni (Cardiff University) et L’IRAM. L’équipe de NIKA a démontré pour la premiere fois la possibilité d’utiliser les détecteurs KIDs pour faire de l’astronomie millimétrique basée au sol. L’instrument prototype de NIKA est déjà installé au télescope 30m de l’IRAM et sera ouvert à la communauté scientifique à partir du mois de février 2014. En 2015 NIKA2 remplacera l’instrument NIKA en augmentant le nombre de détecteurs utilisés (de la centaine au millier) et donc sensiblement ses performances. Pour un savoir plus sur NIKA2 regardez:

http://ipag.osug.fr/nika2/Publications.html

 

 

  Campagne observationelle NIKA prototype Nov-2012. De droite à gauche, M. Calvo (IN), A. Catalano (LPSC), A. Monfardini (IN), J.F. Macias-Perez (LPSC) et N. Ponthieu (IPAG).

 

La science avec NIKA

Le but principal de l’instrument est de faire une detection en intensité et polarisation de source ponctuelle faibles et une cartographie d’emission de source étendues jusqu’à des échelles de 5 arcminutes.  Les buts principaux sont listés de suite:

1) Etude des premières phases de formation stellaire

2) Galaxies proches: mesures des emission de poussiere, estimation des contaminants radio (emission par syncrotron, free-free, ….)

3)  Quasars et objects à haut redshift.

4)   Amas de galaxies via l’effet Sunyaev Zel'dovich 

Effet SZ: le résultat de la distorsion du fond diffus cosmologique par des électron de grande énergie grâce à la diffusion Compton inverse, qui permet à ces électrons de transférer une grande partie de leur énergie aux photons de faible énergie du fond diffus. Ces distorsions sont observées dans le spectre du fond diffus cosmologique pour détecter les perturbations de densité dans l’Univers primordial.

5) Autres types de source (comètes, Gamma-Ray Burst, …) 

6) Source étendues et ponctuelles polarisées.

L’instrument NIKA

Un cryostat à dilution d’3He en 4He et un cryocooler à 4K permet de refroidir les matrices de détecteurs à 0.1K. L’architecture de l’instrument est principalement determinée par la necessité de refroidir les détecteurs. Le couplage optique entre le telescope et les détecteurs se fait à travers des miroirs d’alluminium à 300K extérieur au cryostat et des lentilles refroidies à l’intérieur du cryostat. Une vue du chemin optique de l’instrument est présentée dans la figure suivante. La sélection des longueurs d’onde pour les deux canaux à 1.25mm et 2.05mm est faite grace à une chaine de filtres passe bas métallique de type “mesh” placés dans les différents étages cryogénique à l’intérieur du cryostat.

 

                    

Chemin optique de NIKA prototype                      Array de KID de NIKA prototype 

 

 

Les Detecteurs et l’électronique de lecture

Les KID (Kinetic Inductance Detectors) constitue un type de détecteur de photon supraconducteurs qui fonctionnent à des températures cryogéniques (dans le cas de NIKA 0.1 Kelvin).  Les photons millimétriques incidents sur un absorbeur constitué d’un materiau supraconducteur (pour NIKA Aluminium) ont une énergie suffisante pour casser des paires de Cooper et donc créer des quasi-particules. L’inductance cinétique du fil supraconducteurs est inversement proportionnelle à la densité des paires de Cooper et donc l’inductance cinétique augmente suite à l’absorption de photons. L’inductance est combinée avec une capacité pour former un résonateur millimétrique dont la fréquence de résonance change avec l’absorption des photons. Dans l’instrument prototype de NIKA nous utilisons des centaines de détecteurs couplés dans la meme matrice. Une électronique de lecture dédiée (NIKEL) a été développée pour pouvoir polariser et lire simultanément touts les détecteurs. 

L’implication du LPSC

Le LPSC développe une électronique adaptée pour NIKA appelée NIKEL. De plus, nous participons activement au développement des nouvelles matrices de KIDs (simulations HFFS principalement) et aux développements des outils d’étalonnage, vérification et exploitation scientifique des données issues de la camera.

Chercheurs Impliqués:

Juan Macias-Pèrez  : DR2 

Andrea Catalano : CR2     

Fréderic Mayet : MC        

Laurance Perroto: CR1      

Barbara Comis : post-doc   

Rémi Adam  : doctorant     

Alessia Ritacco : doctorant

 

La Collaboration NIKA