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TIPE 1998: Mesures photométriques par capteurs CCD et une application à l'astronomie

Vous pouvez lire d'abord l'avertissement et la FAQ, et, si vous ne connaissez rien aux prépas ou que vous êtes un taupin fraîchement débarqué d'une autre planète, une courte présentation de ce que sont les TIPE...

Avec Emmanuel "Mao" Mannooretonil et Laurent "Lolo" Lombard, j'ai choisi de traiter des circuits CCD, notamment utilisés en imagerie et en astronomie.

Sommaire du rapport de TIPE

Taille totale du texte: 14 ko (1 fichier)

1. Introduction
2. Description et fonctionnement
   1. Création de charges
   2. Transfert de charges
   3. Conversion des charges en tension
3. Mesure des caractéristiques d'un CCD
   1. Uniformité
   2. Linéarité
   3. Réponse spectrale
4. Application à la spectrocopie en astronomie
   1. Etalonnage du spectroscope
   2. Observation du spectre par caméra CCD
   3. Traitement des données
   4. Interprétation du spectre
5. Conclusion

Avertissement:

Les expériences qui ont été montées pour ce TIPE l'ont été dans le seul but d'illustrer les principes de la démarche de mesure. Par conséquent, certains résultats (réponse spectrale de la barrette CCD que nous avons utilisée notamment) peuvent être relativement éloignés de la réalité.

FAQ: questions fréquemment posées

Si vous trouvez ici la réponse à vos questions, ne perdez pas de temps à m'écrire... Je ne suis pas spécialiste des CCD, la plupart de ce j'en sais date de ce travail scolaire qui commence à dater, alors si vous trouvez des erreurs, pardonnez-moi et écrivez-moi.

Est-ce que vous pouvez m'indiquer des livres sur les CCD?

Commencez par voir la bibliographie du rapport. Ensuite, cherchez dans les bibliothèques universitaires et sur internet. Je pourrais rajouter comme référence un chapitre du Méthodes physiques de l'observation de Pierre Léna.

Est-ce que vous pouvez me fournir de la documentation sur les CCD?

Non, ne serait-ce que pour la simple raison que je ne l'ai plus.

Est-ce que vous pouvez me détailler les différents types de capteurs et leur fonctionnement, les principes physiques à la base de leur conception, et leurs applications industrielles?

Non, parce que je ne suis ni une encyclopédie ni un document technique, je n'en sais quasiment pas plus que ce qu'il y a sur ma page web, et que de toutes façons je devrais me faire payer pour répondre à ce genre de questions.

Est-ce que vous pouvez me donner des idées de personnalisation pour mon rapport de TIPE?

Euh, non, sinon ce ne serait plus personnel. Essayez d'abord d'avoir une vision globale du sujet, ensuite vous verrez déjà comment développer ce qui vous intéresse le plus.

Comment vous êtes-vous procuré la barrette?

Elle faisait partie d'un kit pour TP qu'avait le lycée. Elle était donc fournie avec l'interface, en état de marche: il ne restait plus qu'à la brancher sur le port parallèle d'un PC sur lequel le logiciel, fourni lui aussi, tournait. Ça n'a pas marché tout de suite (saturation même dans le noir), on soupçonnait le PC d'être mal isolé, le problème a été résolu en utilisant un PC portable.

Existe-t-il d'autres domaines d'application que l'astrophysique?

Oui, bien sûr, déjà tout ce qui est caméras et appareils photo numériques peut utiliser des CCD (même s'il existe des alternatives, comme le CMOS).

A quoi sert le condensateur et l'amplification de la tension au bout de la barrette CCD?

Les électrons qui arrivent en bout de barrette sont une charge, qu'on veut mesurer. Pour ça, on choisit de mesurer une tension électrique, chose relativement facile à faire. Il faut donc obliger les électrons à se mettre sur une des armatures d'un condensateur. Quand il y a une charge sur les armatures d'un condensateur, il y a une tension à ses bornes. On pourrait mesurer directement cette tension, mais en fait elle est trop petite pour être mesurée. Il faut donc l'amplifier avant.

Qu'est-ce qui limite la sensibilité spectrale du CCD?

Rapidement, disons les propriétés physiques du silicium (opacité...) vers l'UV, et l'énergie insuffisante des photons vers l'IR.

Comment l'améliorer?

Pour l'UV relativement proche, il existe des CCD amincies, éclairées par l'arrière: l'esemble du volume peut être touché par les photons, malgré l'opacité du silicium à ces longueurs d'ondes, et les photons ne sont pas gênés par les grilles. Ces CCD sont par contre plus fragiles.
Pour aller plus loin dans l'UV, on peut mettre une galette à micro-canaux (MCP) devant le CCD. Pour aller plus loin dans l'IR, on peut changer de capteurs, et utiliser par exemple une matrice de bolomètres.

Tipe, qu'est-ce que c'est?

Les TIPE (Travaux d'Initiative Personnelle Encadrés) sont des épreuves des concours que passent les élèves de prépas scientifiques. Une partie de cette épreuve consiste en une présentation orale d'un travail bibliographique et éventuellement expérimental effectué pendant l'année de maths spé. Bien préparés, ils permettent de remonter les notes parfois désastreuses des autres matières... Il faut d'abord choisir une matière (maths ou physique pour la section MP), qui détermine un thème: en 1998, c'était "systèmes dynamiques" pour les maths et "mesurer une grandeur" pour la physique.

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