[論文レビュー] A Polarization Sensitive Bolometric Detector for Observations of the Cosmic Microwave Background

W. C. Jones, R. S. Bhatia+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2002

Superconducting and THz Device Technology参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、宇宙背景放射（CMB）の偏光測定を目的として、溝付き波導内に共通配置された窒化ケイ素マイクロメッシュ吸収体を用い、同一の光路を共有する直交する線形偏光を同時に検出可能な偏光感受性ボロメトリック検出器（PSB）を提案する。この設計は270 mKで背景制限感度（NEP ≈ 2×10⁻¹⁷ W/√Hz）を達成し、60–600 GHzの33%帯域幅にわたり高精度で低系誤差の測定を可能にし、BoomerangおよびPlanck HFI受信機で検証された。

ABSTRACT

We have developed a bolometric detector that is intrinsically sensitive to linear polarization which is optimized for making measurements of the polarization of the cosmic microwave background radiation. The receiver consists of a pair of co-located silicon nitride micromesh absorbers which couple anisotropically to linearly polarized radiation through a corrugated waveguide structure. This system allows simultaneous background limited measurements of the Stokes I and Q parameters over ~ 30% bandwidths at frequencies from ~ 60 to 600 GHz. Since both linear polarizations traverse identical optical paths from the sky to the point of detection, the susceptibility to systematic effects is minimized. The amount of uncorrelated noise between the two polarization senses is limited to the quantum limit of thermal and photon shot noise, while drifts in the relative responsivity to orthogonal polarizations are limited to the effect of non-uniformity in the thin film deposition of the leads and the intrinsic thermistor properties. Devices using NTD Ge thermistors have achieved NEPs of 2 x 10^{-17} W/sqrt{Hz} with a 1/f knee below 100 mHz at a base temperature of 270 mK. Numerical modelling of the structures has been used to optimize the bolometer geometry and coupling to optics. Comparisons of numerical results and experimental data are made. A description of how the quantities measured by the device can be interpreted in terms of the Stokes parameters is presented. The receiver developed for the Boomerang and Planck HFI focal planes is presented in detail.

研究の動機と目的

• 高精度なCMB偏光測定を目的とした、線形偏光に内在的に感度を持つボロメトリック検出器の開発。
• 両方の直交偏光状態が同一の光路および熱的経路を通過することにより、系統誤差を最小限に抑える。
• ミリ波/サブミリ波帯域で広帯域（33%）にわたり背景制限感度を達成すること。
• 宇宙背景放射実験に適したスケーラブルでコンactかつ軽量な受信機設計を実現すること。
• BoomerangおよびPlanck HFI焦点面での数値モデル化と実験的検証を通じて、設計の妥当性を検証すること。

提案手法

• 異方的偏光放射に応答する2つの共通配置された、熱的および電気的に分離された窒化ケイ素マイクロメッシュ吸収体を、溝付き波導構造に組み込む。
• 段階的な溝付きフィードおよび結合キャビティを用い、33%帯域幅にわたり高精度な偏光信号伝送を実現する偏光感度を達成する。
• NTD Ge熱抵抗素子を用い、抵抗はR(T) = R₀ exp(√(Δ/T))で記述され、吸収放射による温度変化を高感度で測定可能である。
• 両方の偏光に対して共通のフィルタリングおよびビーム整形経路を採用し、スペクトル応答、時間定数、エンドツーエンド効率が一致することを保証する。
• HFSSを含む数値モデル化により吸収体形状および結合効率を最適化し、実験データと照合して妥当性を検証する。
• ビーム形状とスループットを制御する2KおよびサブKの溝付きフィードシステムを採用し、2Kフィードが低周波数カットオフを定義する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ボロメトリック検出器が、系統誤差を最小限に抑えて、直交する線形偏光状態を同時に内在的に感度を持つことができるか？
• RQ2 直交偏光間の光路マッチングを最適化することで、出力信号のずれおよびクロストークを最小限に抑える方法は何か？
• RQ3 NTD Ge熱抵抗素子を用いたPSBが270 mKで動作する場合の実現可能な感度（NEP）および1/fノイズのカーブの折り返し周波数はどの程度か？
• RQ4 広帯域にわたり、高いエンドツーエンド効率および低クロスポーラリゼーション応答を維持できるか、その程度は？
• RQ5 溝付き波導および吸収体形状の数値シミュレーションが、実験的性能とどの程度一致するか？

主な発見

• PSBは270 mKでノイズ等価電力（NEP）が2×10⁻¹⁷ W/√Hzに達し、100 mHz未満の1/fノイズ折り返し周波数を示しており、背景制限性能であることが示された。
• エンドツーエンド効率が高く、273 Kから300 Kの負荷間で測定した帯域平均スループットはほぼ40%に達した。
• 滑らかな壁面フィードに置き換えた場合、クロスポーラリゼーション応答（ε）が絶対値で約5%増加した。これは、偏光忠実度を確保するための溝付き構造の重要性を裏付けた。
• PSBペアの成分間での出力信号の不一致は、主にR₀（幾何的依存性）の変動に起因し、Δ（ドーピング依存性）の変動は無視できる程度であった。
• 溝付きフィードおよび吸収体形状の数値モデル化は、実験データと良好に一致しており、設計手法の妥当性が検証された。
• PSB設計はBoomerang 150 GHz受信機に成功裏に実装され、Planck HFI 143 GHz偏光受信機の基盤としても採用された。