L'expérience embarquée en ballon Archeops a cartographié les anisotropies du Fond Diffus Cosmologique (CMB) avec une résolution angulaire de 10 minutes d'arc sur une portion du ciel de 30%. Elle constitue également un banc-test pour la mission Planck-HFI de l'ESA.<br> Le travail de cette thèse a porté sur l'étalonnage sol à l'aide d'une source thermique millimétrique des trois vols effectués par Archeops et l'analyse des données obtenues. Le traitement des données ordonnées en temps est détaillé en plusieurs étapes : signalisation des données corrompues, soustraction des effets systématiques à basse fréquence, puis à haute fréquence. Dans ce dernier cas, une méthode originale est proposée qui permet à quelques détecteurs de satisfaire aux hypothèses de stationnarité et de gaussianité des codes de cartographie. Les solutions fournies par trois de ces codes sont comparés à l'aide de simulations.<br> Le spectre de puissance angulaire des anisotropies permet de contraindre les différents paramètres du modèle cosmologiquc standard, et par conséquent les paramètres physiques du modèle inflationnaire considéré pour générer les pertubations primordiales dont les anisotropies sont l'empreinte. Cette thèse présente ce qu'Archeops peut apporter dans ce domaine.

Le but de l'expérience EDELWEISS est la détection de particules massives très faiblement interagissantes, candidats actuellement majeurs pour résoudre le problème de la matière noire. On identifie les particules ionisantes du fond grâce à la mesure simultanée de chaleur et d'ionisation dans les détecteurs. La principale limitation à cette méthode provient de la mesure d'ionisation, la collecte de charges étant altérée dans certaines zones dites «mortes» du détecteur. La spécificité de la mesure tient à l'emploi de très basses températures et de faibles champs de collecte. Cette thèse est consacrée à l'étude du piégeage de porteurs, par l'utilisation conjointe de mesures résolues en temps et d'un code de simulation adapté à ces conditions physiques particulières. On présente tout d'abord les résultats concernant le piégeage sur les surfaces libres des détecteurs. Notre méthode permet de constituer une charge surfacique de manière contrôlée sous irradiation par une source de forte activité, pour ensuite la caractériser à l'aide d'une source plus faible utilisée comme une sonde. Dans une deuxième étude, les caractéristiques du piégeage en volume sont déduites de mesures du rendement de collecte, ainsi que par une méthode originale utilisant la localisation des évènements dans le détecteur. Les résultats montrent qu'une proportion importante des impuretés dopantes sont chargées, comme l'indique de manière indépendante l'étude concernant les phénomènes de dégradation liés à la constitution d'une charge d'espace. Ce dernier volet met également en évidence la présence de nombreux pièges chargés sous les électrodes, et leur lien avec les effets de zone morte.

Les résultats des expériences en astrophysique et de cosmologie observationnelle semblent indiquer que l'essentiel de la matière dans l'Univers est sous forme sombre, froide et non-baryonique. Les extensions supersymétriques du Modèle Standard de la physique des particules proposent un candidat privilégié, le neutralino le plus léger, qui est activement recherché auprès des accélérateurs mais aussi auprès d'expériences dédiées. Cette thèse est consacrée à la détection directe de matière sombre non-baryonique avec l'hélium 3<br />dans le cadre du détecteur prototype MACHe3 et du projet de détecteur MIMAC-He3. Dans le cadre de MACHe3 utilisant l'hélium 3 superfluide à ultra-basses températures, une méthode d'analyse des données a été développée pour mettre en évidence les spectres en énergie des neutrons, muons cosmiques et d'électrons de basse énergie. Après avoir montré la possibilité de détecter des événements dans la plage du keV avec l'hélium 3, cette thèse propose le développement d'un nouveau détecteur, MIMAC-He3. Il consiste en une matrice de micro-TPC remplies d'3He gazeux permettant la discrimination entre les reculs nucléaires et électroniques. Une simulation Monte Carlo a été réalisée pour évaluer le pouvoir de discrimination de MIMAC-He3 concernant les bruits de fond physiques. Les taux de bruits de fond simulés sont comparés au taux de neutralino calculé dans le cadre de modèles supersymétriques effectifs pour mettre évidence l'intérêt d'un détecteur à 3He pour la détection de neutralinos par interaction axiale et sa complémentarité avec les détections indirecte et directe scalaire.

Les bolomètres sont des détecteurs fonctionnant à très basse température et mesurant l'énergie déposée par les effets thermiques induits. Toutes les excitations dans un solide finissant sous forme de chaleur (phonons), les bolomètres sont des détecteurs universels capables de mesurer l'énergie de rayonnements ionisants ou non.<br> La résolution ultime d'un bolomètre, du point de vue de la thermodynamique, décroît sans limites avec la température, cependant, dans le cas d'événements impliquant des reculs de noyaux dans un absorbeur solide, des mécanismes de piégeage de l'énergie peuvent limiter la résolution à des valeurs bien plus élevées. Nous avons analysé ces phénomènes dans la perspective d'appréhender la limite en résolution pour la détection d'ions éventuellement sur faisceau et dans la recherche de WIMPs, hypothétiques composants de la Matière Noire non baryonique.<br> Nous avons élaboré et caractérisé des bolomètres de masses et de géométries diverses, tous équipés de senseurs thermométriques en couches minces de NbxSi1-x. Les propriétés de ces couches en tant qu'isolant d'Anderson, ainsi que leur sensibilité aux phonons hors d'équilibre ont été étudiées. Nous avons ainsi comparé et interprété les résolutions expérimentales obtenues en régime thermique et athermique. La meilleure résolution que nous avons obtenue est de 0.34%, soit 18 keV sur des particules alpha de 5.5 MeV. Ce résultat est au dessus de nos estimations théoriques, nos bolomètres ont donc une importante marge de progression possible.

Dans une expérience destinée à la détection directe des WIMPS (un candidat plausible pour la matière noire) les détecteurs jouent un rôle essentiel. L'expérience EDELWEISS a choisi des détecteurs semiconducteurs (Ge) avec lesquels on peut mesurer simultanément la chaleur (mesure bolométrique) et la charge issues de l'impact d'une particule. On discrimine ainsi les événements de type "recul noyau" (WIMPS) des événements de type "recul électron" (bruit de fond hormis les neutrons). Cependant, pour un événement ayant lieu très près de la surface des électrodes de collecte de charge, un déficit de collecte peut dégrader d'une manière importante l'efficacité de cette discrimination. Ce travail propose une nouvelle méthode d'identification des événements de surface basée sur le régime transitoire "chaleur" obtenu au moyen de couches minces NbxSi1-x , isolant d'Anderson, déposées directement sur l'absorbeur (saphir ou Ge). Un événement ayant lieu à une profondeur inférieure à une valeur critique dc (de l'ordre du millimètre dans le Ge) donne un signal transitoire (athermique) amplifié et de forme différente comparée à un événement de volume de même énergie. Nous avons paramétré cette amplification en fonction de la profondeur d

L'objectif de mon travail de recherche est de préparer l'analyse des données des prochaines observations grand champ d'amas de galaxies par effet Sunyaev Zel'dovitch. Pour cela, je mets en place une chaîne complète d'outils permettant d'effectuer cette étude. Ces outils permettent de mettre en évidence des points critiques des effets<br />de sélection à prendre en compte dans les futures analyses. La chaîne d'analyse est constituée : d'une simulation de ciel observé millimétrique, d'algorithmes originaux d'extraction d'amas SZ à partir des cartes observées, d'un modèle statistique des effets de sélection de la chaîne de détection, et enfin d'outils d'analyse des catalogues<br />des sources détectées pour contraindre les paramètres cosmologiques. Je m'intéresse au cas des expériences multi-fréquences dotées de caméra bolométrique. J'applique ces outils à une prospective pour l'expérience Olimpo.

Le but de cette thèse est d'établir une modélisation électromagnétique du détecteurbolométrique térahertz (THz). Ce travail aide à faciliter la conception de bolomètre THz dontla structure est basée sur celle de bolomètre infrarouge à température ambiante. Le contextede la thèse est l'imagerie THz active. Nous avons étudié le comportement électromagnétiqued'un bolomètre à antenne de bande spectrale 1 - 5 THz. Deux modes de simulation ont étéréalisées : l'une est en mode de réception et l'autre est d'émission. La combinaison de cesmodes de simulation constitue un outil important pour concevoir le bolomètre THz. Latechnique de spectroscopie par transformée de Fourier a été utilisée pour caractériserexpérimentalement le comportement électromagnétique du détecteur. Nous avons mesuré laréflectivité de la surface du plan focal de détecteur ainsi que la réponse spectrale du détecteur.Les deux sont confrontées avec la simulation et elles se trouvent en bon accord. Avec lesconnaissances obtenues des résultats théorique et mesuré, la recherche aide à améliorer desperformances du détecteur actuel. Nous avons aussi proposé un design pour le bolomètre defaible fréquence (850 GHz). Ce dernier ouvre la perspective d'emmener la technologie debolomètre d'infrarouge vers la bande sous-térahertz où l'imagerie est beaucoup plusfavorable.

La détection infrarouge, autrefois réservée aux applications militaires et spatiales, connait depuis une dizaine d’années une mutation importante et s’ouvre de plus en plus vers des marchés "grand public". Cette démocratisation est principalement liée aux développements rapides que connaissent les technologies utilisant des bolomètres "non refroidis", qui profitent de leurs compatibilités avec les filières de la microélectronique.La technologie utilisée au CEA/LETI repose sur l’utilisation d’un matériau thermomètre à base de silicium amorphe (également noté "a-Si"). Ce dernier comporte de nombreux avantages dont, principalement, son excellente compatibilité avec les outils "classiques" de la microélectronique. Cependant, l’intégration d’un matériau thermomètre plus performant que le a-Si est nécessaire pour répondre aux défis à venir.Conscient de l’importance de cette problématique "matériau" le laboratoire CEA/LETI développe depuis plusieurs années des matériaux à base d’oxydes de métaux de transition déposés en couches minces.Cette étude s’appuie sur l’ensemble des variantes d’oxydes de métaux de transition étudié dans ce cadre. Cette palette de matériaux, qui se sont révélés très différents dans leur structure et, corrélativement, les mesures de transport dans chacun de ces types, nous ont permis de relier structure et mécanismes de conduction spécifiques à chacun. Une attention particulière a été portée aux mesures de TCR, ou « Temperature Coefficient of Resistance », (facteur à maximiser) et de bruit en 1/f (source de bruit à minimiser), les deux paramètres de choix pour le matériau thermistor.Des grandes tendances qui pilotent la performance d’un matériau thermistor pour la bolométrie ont pu être déduites de ces investigations. Les travaux présentés dans cette thèse permettent d’évaluer le potentiel de tel ou tel compétiteur avant d’en entreprendre le développement. / InfraRed detection, formerly reserved to defense and spatial applications, is currently undergoing deep changes which open new opportunities. Uncooled microbolometer technologies, compatible with classical semiconductors processes, are now able to produce low cost thermal imagers and this will open the door to customer markets in a close future.The technology developed in the CEA/LETI laboratory use the amorphous silicon (noted "a-Si") as the thermistor material. This material has many advantages, in particular, its excellent compatibility with the classical tools used in microelectronic industry. However, better performance in the thermistor material is still needed to address future applications.To handle this challenge, CEA/LETI laboratory is currently developing thermistors made of transition metal oxides thin films. The study presented hereby is based on various transition metal oxides samples deposited in the CEA/LETI Laboratory.Characterization of the structure and the electronic transport for each of these samples allowed us to put in evidence correlations between microscopic structure and conduction mechanisms. Two main figures of merit impacting the overall material performance were investigated : the TCR, Temperature Coefficient of Resistance (which must be maximized) and the 1/f noise (which must be minimized).Finally we conclude this work by highlighting majors outlines governing the performance of a thermistor.

Le but de cette thèse est d’établir une modélisation électromagnétique du détecteurbolométrique térahertz (THz). Ce travail aide à faciliter la conception de bolomètre THz dontla structure est basée sur celle de bolomètre infrarouge à température ambiante. Le contextede la thèse est l’imagerie THz active. Nous avons étudié le comportement électromagnétiqued’un bolomètre à antenne de bande spectrale 1 – 5 THz. Deux modes de simulation ont étéréalisées : l’une est en mode de réception et l’autre est d’émission. La combinaison de cesmodes de simulation constitue un outil important pour concevoir le bolomètre THz. Latechnique de spectroscopie par transformée de Fourier a été utilisée pour caractériserexpérimentalement le comportement électromagnétique du détecteur. Nous avons mesuré laréflectivité de la surface du plan focal de détecteur ainsi que la réponse spectrale du détecteur.Les deux sont confrontées avec la simulation et elles se trouvent en bon accord. Avec lesconnaissances obtenues des résultats théorique et mesuré, la recherche aide à améliorer desperformances du détecteur actuel. Nous avons aussi proposé un design pour le bolomètre defaible fréquence (850 GHz). Ce dernier ouvre la perspective d’emmener la technologie debolomètre d’infrarouge vers la bande sous-térahertz où l’imagerie est beaucoup plusfavorable. / This PhD thesis aims to establish an electromagnetic modeling of the bolometer atterahertz (THz) range that can facilitate the design of the detector from the uncooled infraredbolometer technology. The envisaged application for the detectors lies in active THz imagingat room temperature. We have studied the optical coupling of a THz antenna-coupledbolometer operating in the range 1 – 5 THz. Simulations in receiving and transmitting modeshave been performed to study the optical characteristics of the bolometer. The combination ofthese two simulation types leads to a powerful toolset to design terahertz bolometers. For theexperimental aspect, measurements have been performed by using Fourier-transformtechnique to study experimentally the electromagnetic behavior of the bolometer. They aremeasurement of reflectivity of the focal plane array’s surface and spectral responsemeasurement. The results of measurement were found to be in good agreement with thesimulation. The understanding from the study in this PhD helps us make improvement to theactual detector. Also the design of bolometer for low frequency (850 GHz) has beenproposed. This leads to a perspective of using bolometer for terahertz imaging at thefrequency where many characteristic of the terahertz radiation are favorable for imagingapplication.

Nous avons étudié l'effet des rayons cosmiques dans les détecteurs en utilisant un bolomètre de germanium composite NTD à basse température, et une source de particules alpha comme source générique d'impulsions. Nous avons caractérisé ce bolomètre en constatant que la forme de son impulsion était due à la combinaison de sa réponse impulsionnelle (la somme de deux exponentielles doubles), et des effets liés à la position découlant de la thermalisation des phonons balistiques en phonons thermiques dans son absorbeur. Nous avons établi un schéma décrivant la forme de l'impulsion dans ce bolomètre en comparant une impulsion mathématique générique à une seconde description basée sur la physique thermique. Nous constatons que la thermalisation des phonons balistiques, suivie de la diffusion thermique, jouent un rôle important dans la forme de l'impulsion, en parallèle avec le couplage électrothermique et les effets électriques dépendant de la température. Nous avons modélisé les impulsions en observant que leur comportement peut être reproduit en tenant compte de la réflexion de phonons balistiques sur le bord de l’absorbeur, avec un couplage thermique fort au capteur central du bolomètre. Compte tenu de ces résultats, nous étudions également les effets des rayons cosmiques sur l’instrument Athena X-Ray Integral Field Unit (X-IFU), en produisant des timelines simulées et en testant la hausse de la valeur moyenne de la température (RMS) sur la plaquette du détecteur. Nous montrons que le flux thermique attendu des rayons cosmiques est au même ordre de grandeur que le maximum autorisé ΔTRMS ce qui constitue une menace sur le budget de la résolution énergétique de l'instrument. / We have studied the effect of cosmic rays in detectors using a composite NTD germanium bolometer at low temperatures and an alpha particle source as a generic source of pulses. We have characterised this bolometer, finding that its pulse shape is due to a combination of its impulse response function (the sum of two double exponentials), and position-dependent effects arising from thermalisation of ballistic phonons into thermal phonons in its absorber. We have derived a scheme for describing the pulse shape in this bolometer, comparing a generic mathematical pulse shape with a second description based on thermal physics. We find that ballistic phonon thermalisation, followed by thermal diffusion, play a significant role in the pulse shape, along with electro-thermal coupling and temperature-dependent electrical effects. We have modelled the pulses, finding that their behaviour can be reproduced accounting for ballistic phonon reflection off the absorber border, with a strong thermal coupling to the bolometer’s central sensor. With these findings, we also investigate the effects of cosmic rays on the Athena X-Ray Integral Field Unit (X-IFU), producing simulated timelines and testing the average RMS temperature increase on the detector wafer, showing that the expected cosmic ray thermal flux is within the same order of magnitudeas the maximum allowed ΔTRMS, posing a threat to the instrument’s energy resolution budget.