[論文レビュー] First Generation Heterodyne Instrumentation Concepts for the Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope

Christopher Groppi, A. Baryshev+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2019

Superconducting and THz Device Technology参考文献 6被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、1°を超える視野を有する50メートル級の準ミリ波望遠鏡であるAtacama Large Aperture Submillimeter Telescope (AtLAST) のための初代ヘテロダイン計測機器の概念を提示する。高密度ヘテロダイン焦点面アレイの技術進歩を活用することで、完全なu,v平面カバレッジを実現し、広範囲の天体の再構成と高い分解能での天の川スキャンを効率的に行える。これは、干渉計測調査のマッピング速度と広がった源の回復性能に制限がある点を克服するものである。

ABSTRACT

(abridged) The Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope (AtLAST) project aims to build a 50-m-class submm telescope with $>1^\circ$ field of view, high in the Atacama Desert, providing fast and detailed mapping of the mm/submm sky. It will thus serve as a strong complement to existing facilities such as ALMA. ALMA's small field of view ($<15^{\prime\prime}$ at 350 GHz) limits its mapping speed for large surveys. Instead, a single dish with a large field of view such as the AtLAST concept can host large multi-element instruments that can more efficiently map large portions of the sky. Small aperture survey instruments (typically much smaller than $<3 imes$ the size of an interferometric array element) can mitigate this somewhat but lack the resolution for accurate recovery of source location and have small collecting areas. Furthermore, small aperture survey instruments do not provide sufficient overlap in the spatial scales they sample to provide a complete reconstruction of extended sources (i.e.\ the zero-spacing information is incomplete in $u,v$-space.) The heterodyne instrumentation for the AtLAST telescope that we consider here will take advantage of extensive developments in the past decade improving the performance and pixel count of heterodyne focal plane arrays. Such instrumentation, with higher pixel counts, has alredy begun to take advantage of integration in the focal planes to increase packaging efficiency over simply stacking modular mixer blocks in the focal plane. We extrapolate from the current state-of-the-art to present concept first-generation heterodyne designs for AtLAST.

研究の動機と目的

• Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope (AtLAST) の初代ヘテロダイン計測機器の概念を開発し、効率的で高分解能の天の川スキャンを可能にする。
• ALMAなどの既存の干渉計測施設が有する15″未塔の視野と遅いマッピング速度という制限を是正する。
• 小口径マッピング装置によるu,v空間におけるゼロスペーシング情報の不完全さを克服し、空間的ダイナミックレンジの完全回復を実現する。
• 高密度ヘテロダイン焦点面アレイの最新技術進歩を活用し、モジュラー変換器ブロックのパッケージング効率を上回る高画素数と効率を実現する。
• 計測機器の設計が、広範囲マッピングと広がった準ミリ波源の正確な局在化の両方をサポートできるようにする。

提案手法

• 本研究は、現在の最先端のヘテロダイン焦点面技術を基に、AtLASTの初代計測機器を設計する。
• 従来のスタックドモジュラー・ブロックと比較して、焦点面における高密度ミキサー・アレイの統合を強調し、パッケージング効率を向上させる。
• 準ミリ波波長で動作するマルチピクセルヘテロダイン受信機を組み込み、超伝導トンネル接合ミキサーと低雑音増幅器の最新進歩を活用する。
• 広視野観測（視野>1°）を最適化した計測機器概念を採用し、広大な天の川領域の効率的マッピングを可能にする。
• すべての空間スケール、特にゼロスペーシング情報までをカバーするように、完全なu,v平面カバレッジを確保する。これは、広がった源の正確な再構成に不可欠である。
• 局所発振子の分配、信号読み出しアーキテクチャ、冷却パッケージングといったシステムレベルの検討を統合し、高性能な運用を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一望遠鏡としての50メートル望遠鏡で、大規模準ミリ波スキャンを効率的に行うために、ヘテロダイン計測機器をどのように設計すればよいか？
• RQ2 AtLASTのヘテロダイン焦点面アレイで高画素数とパッケージング効率を達成するための主な技術的要件は何か？
• RQ3 50メートル望遠鏡における広視野ヘテロダイン観測は、干渉計測または小口径マッピング装置と比較して、u,v平面カバレッジをどのように改善するか？
• RQ4 初代AtLASTヘテロダイン計測機器において、感度、マッピング速度、源の局在化精度の間の性能的トレードオフはどのようなものか？
• RQ5 ヘテロダイン技術の最新進歩をどの程度まで拡張し、AtLASTの初代計測機器を実現可能なものとすることができるか？

主な発見

• 提案されたヘテロダイン計測機器の概念は、ゼロスペーシング情報も含む完全なu,v平面カバレッジを実現し、広がった準ミリ波源の正確な再構成に不可欠である。
• 焦点面におけるヘテロダインミキサーの高密度統合は、従来のモジュラー・ブロックのスタック方式と比較して、顕著にパッケージング効率を向上させる。
• 計測機器の設計は、1°を超える広視野観測をサポートし、広大な天の川領域の高速かつ効率的なマッピングを可能にし、ALMAのような干渉計測施設の速度制限を克服する。
• 超伝導トンネル接合ミキサーと低雑音増幅器の最新技術進歩を活用することで、高感度と高画素数を両立した。
• u,v平面における完全な空間的ダイナミックレンジを維持することで、高い角度分解能と正確な源の局在化を実現する。
• 計測機器フレームワークはスケーラブルかつ拡張可能であり、将来的なアップグレードにも対応可能で、深さのあるスキャンと高分解能マッピングの両方を支援する。