[論文レビュー] QUBIC VI: cryogenic half wave plate rotator, design and performances

G. D’Alessandro, L. Mele+127 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 32被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、QUBIC実験のための半波長板（HWP）回転装置の設計および低温性能を提示しており、150 GHzにおける宇宙背景放射（CMB）の正確な偏光モード化を可能にしている。冷凍タンク外側に配置されたステッピングモーターと高精度な光学絶対エンコーダーを用いることで、8 K段階への熱負荷（<10 mK）を最小限に抑えながら、0.1°未塔の角度精度を達成し、高い偏光分解能を実現するBモード偏光検出が可能になった。

ABSTRACT

Inflation Gravity Waves B-Modes polarization detection is the ultimate goal of modern large angular scale cosmic microwave background (CMB) experiments around the world. A big effort is undergoing with the deployment of many ground-based, balloon-borne and satellite experiments using different methods to separate this faint polarized component from the incoming radiation. One of the largely used technique is the Stokes Polarimetry that uses a rotating half-wave plate (HWP) and a linear polarizer to separate and modulate the polarization components with low residual cross-polarization. This paper describes the QUBIC Stokes Polarimeter highlighting its design features and its performances. A common systematic with these devices is the generation of large spurious signals synchronous with the rotation and proportional to the emissivity of the optical elements. A key feature of the QUBIC Stokes Polarimeter is to operate at cryogenic temperature in order to minimize this unwanted component. Moving efficiently this large optical element at low temperature constitutes a big engineering challenge in order to reduce friction power dissipation. Big attention has been given during the designing phase to minimize the differential thermal contractions between parts. The rotation is driven by a stepper motor placed outside the cryostat to avoid thermal load dissipation at cryogenic temperature. The tests and the results presented in this work show that the QUBIC polarimeter can easily achieve a precision below 0.1° in positioning simply using the stepper motor precision and the optical absolute encoder. The rotation induces only few mK of extra power load on the second cryogenic stage (~ 8 K).

研究の動機と目的

• 宇宙背景放射（CMB）の正確なストークス偏光測定を可能にするために、QUBIC実験用の低温半波長板（HWP）回転装置を開発すること。
• 8 Kの低温環境下で、熱負荷と機械的摩擦を最小限に抑えることで、誤検出信号の発生を防ぎ、検出器の感度を維持すること。
• ステッピングモーターと光学絶対エンコーダーを用いて、HWPの位置決め精度を<0.1°に高め、正確な偏光モード化を実現すること。
• 室温、液体窒素、およびQUBIC冷凍タンク内でのテストを通じて、システムの性能を検証し、低クロス偏光と安定した動作を示すこと。

提案手法

• HWP回転装置は、冷凍タンク外に配置されたステッピングモーターにより駆動され、8 K段階への熱負荷を最小限に抑える。
• 光学絶対エンコーダーを用いた独自の位置検出システムにより、角度分解能と再現性が0.1°未塔を満たす。
• 材料間の異なる熱収縮を考慮した、詳細な機械的および熱的モデリングを実施した。
• 150 GHzにおける偏光モード化効率とバイレフレンスを維持するため、HWPはメタマテリアル構造を採用した。
• 摩擦低減のため、低温アクチュエーターを用いたアクティブチューニングを施したストレッチプーリー機構を採用した。
• ストークスパラメータQとUを抽出するために、キャリブレーション源とパワースペクトル解析を用いて偏光モード化を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 8 K段階への熱負荷を最小限に抑えながら、低温HWP回転装置が0.1°未塔の角度精度を達成できるか。
• RQ2 低温環境下での回転中に、機械的安定性と熱負荷の両面でシステムがどのように動作するか。
• RQ3 150 GHzで完全に偏光した信号を測定する際、HWPシステムのクロス偏光レベルはどの程度か。
• RQ4 測定されたストークスパラメータによって、HWPが入射放射の偏光状態をどの程度正確にモード化できるか。
• RQ5 検出器の非線形性が偏光測定に与える影響はどの程度で、データモデル内で補正可能か。

主な発見

• 外部フィードバック補正を一切用いなくても、ステッピングモーターと光学エンコーダーのみで0.1°の位置決め精度を達成した。
• 2番目の冷凍段階（8 K）への回転機構に起因する熱負荷は10 mK未塔であり、CMB検出器が求める厳しい熱的要件を満たした。
• 偏光測定においてクロス偏光が低く抑えられ、150 GHzにおける測定ムーア行列モデルは理想的な応答に極めて近い忠実度を示した。
• 検出器の非線形性を含むモデルとのフィットが良好に得られ、入力ストークスベクトルの正確な再構成が確認された。
• パワースペクトル解析により、1 Hzにキャリブレーション源の信号が確認され、1.7 Hz付近に振動由来の信号とその高次調波（2 Hz）も特定され、安定した動作を示した。
• システムは室温、液体窒素、およびQUBIC冷凍タンク内でのテストを通じて正常に動作し、温度領域を越えた性能の妥当性が検証された。