[論文レビュー] Prototype finline-coupled TES bolometers for CLOVER

Michael D. Audley, R. W. Barker+18 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2006

Superconducting and THz Device Technology参考文献 11被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、宇宙背景放射における原始的Bモード偏光を検出することを目的とするCℓOVER実験向けに、フィンライン結合型遷移端センサー（TES）ボロメータの設計、プロセス、および初期評価を提示する。検出器は、単一チップTESをフィンラインを介してスプリットブロック波ガイドに結合し、時間分割SQUID多重化を採用している。230 mKでのプロトタイプ評価では、高品質なTES膜の実現とシリコン上でのフィンライン遷移の正常動作が確認されたが、全出力対応のための熱設計改善が今後必要である。

ABSTRACT

CLOVER is an experiment which aims to detect the signature of gravitational waves from inflation by measuring the B-mode polarization of the cosmic microwave background. CLOVER consists of three telescopes operating at 97, 150, and 220 GHz. The 97-GHz telescope has 160 feedhorns in its focal plane while the 150 and 220-GHz telescopes have 256 horns each. The horns are arranged in a hexagonal array and feed a polarimeter which uses finline-coupled TES bolometers as detectors. To detect the two polarizations the 97-GHz telescope has 320 detectors while the 150 and 220-GHz telescopes have 512 detectors each. To achieve the target NEPs (1.5, 2.5, and 4.5x10^-17 W/rtHz) the detectors are cooled to 100 mK for the 97 and 150-GHz polarimeters and 230 mK for the 220-GHz polarimeter. Each detector is fabricated as a single chip to ensure a 100% operational focal plane. The detectors are contained in linear modules made of copper which form split-block waveguides. The detector modules contain 16 or 20 detectors each for compatibility with the hexagonal arrays of horns in the telescopes' focal planes. Each detector module contains a time-division SQUID multiplexer to read out the detectors. Further amplification of the multiplexed signals is provided by SQUID series arrays. The first prototype detectors for CLOVER operate with a bath temperature of 230 mK and are used to validate the detector design as well as the polarimeter technology. We describe the design of the CLOVER detectors, detector blocks, and readout, and present preliminary measurements of the prototype detectors performance.

研究の動機と目的

• CℓOVER実験にスケーラブルで高感度な検出器システムを開発し、宇宙背景放射におけるBモード偏光を測定すること。
• フィードホーンを搭載した焦点面にTESボロメータを統合する課題に対処するため、大規模なモノリシックアレイではなく、個々の検出器チップにフィンライン結合を採用すること。
• 各検出器を1チップに製造することで、高性能デバイスの選別を可能にし、100%の稼働率を確保すること。
• 100 mKおよび230 mKでの全スケール展開の前段階として、230 mKでのプロトタイプ評価を通じて、偏光計技術および検出器設計の妥当性を検証すること。

提案手法

• 各検出器は、サスペンデッド窒化膜を有する単一チップTESとしてプロセスされ、効率的なミリ波信号伝送を実現するためフィンライン波ガイドに結合されている。
• フィンライン遷移はシリコン基板上に統合され、上部および下部の銅検出器ブロックによって形成されるスプリットブロック波ガイドに接続されている。
• 検出器ブロックはモジュラー構造であり、1ブロックに16または20個の検出器を収容しており、個々の銅チップホルダーを用いて熱的および機械的応力から分離している。
• 電気的接続は、低熱伝導率および磁気シールドを実現するための金めっき・スズはんだ接合の銀めっきされた超伝導基板へのアルミニウムワイヤーボンディングにより行われている。
• 読み出しには時間分割SQUID多重化が採用されており、SQUIDシリーズアレイがさらなる増幅を提供することで、読み出しノイズを最小限に抑える。
• 磁気シールドはニオブiumホイルおよびMetglas 2705Mを用いて実現されており、冷温容器内に追加の高透磁率シールドを設けることで、SQUIDがフラックスノイズに影響を受けるのを防いでいる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フィンライン結合型TESボロメータは230 mKで正常にプロセスされ、動作確認が可能であり、CℓOVER用の検出器および偏光計アーキテクチャの妥当性が検証可能か？
• RQ2 単一チップ検出器アーキテクチャは、ホーン入射焦点面における大規模モノリシックアレイの非効率性を回避しつつ、高効率な出荷率と性能を確保できるか？
• RQ3 ミリ波帯域の検出に適した、シリコン基板上へのフィンライン遷移の信頼性の高い実装が可能か？特にモード漏れや結合損失が生じないか？
• RQ4 未使用のSQUID多重化チップ（1×32）を用いたモジュラー検出器ブロック設計は、ノイズ性能およびコスト効率にどのように影響を与えるか？
• RQ5 実際の天体放射負荷下における検出器チップの熱的性能はどのようであり、75%デューティーサイクルでの動作においても飽和を起こさずに耐えられるか？

主な発見

• プロトタイプTES膜は低ノイズおよび安定した動作を示しており、CℓOVERのNEP要件を満たす感度を有していることが裏付けられた。
• 本論文では、初めてとしてシリコン基板上にフィンライン遷移が成功裏に実装された。この結果、この結合手法の実現可能性が確認された。
• 個々のチップホルダーを備えた検出器ブロック設計により、熱的および機械的分離が確実に実現され、応力誘発破壊のリスクが低減された。
• 未使用の1×32 SQUID多重化チップを活用することで、最適化されたバイアス設定と低減されたアリエイセッド読み出しノイズが実現され、全体のNEPが向上した。
• モジュラー検出器ブロックレイアウトにより、同一部品を用いて六角形ホーンアレイを均一にカバーできるようになり、コストおよび複雑さが低減された。
• 熱設計はさらなる最適化が必要であり、特に220-GHz帯で97–220 GHzの範囲で6.7–18.8 pWの出力処理要件を満たすために、改善が求められる。