[論文レビュー] The ALMA Band 9 receiver - Design, construction, characterization, and first light

A. Baryshev, Ronald Hesper+25 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2015

Superconducting and THz Device Technology参考文献 40被引用数 38

ひとこと要約

本論文は、600–720 GHzのALMAバンド9の変換受信機（heterodyne receivers）の設計、製作、特性評価を提示する。この受信機は、高感度な準ミリ波観測を可能にする。受信機は二重偏光SIS混合器を用い、AlOxおよびAlNトンネル障壁を備えることで、初光データにおいて高いスペクトル的・振幅的安定性を示し、原始星系における複雑な線および連続放射の科学的検証を可能にする。

ABSTRACT

We describe the design, construction, and characterization of the Band 9 heterodyne receivers (600-720 GHz) for the Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA). The ALMA Band 9 receiver units ("cartridges"), which are installed in the telescope's front end, have been designed to detect and down-convert two orthogonal linear polarization components of the light collected by the ALMA antennas. The light entering the front end is refocused with a compact arrangement of mirrors, which is fully contained within the cartridge. The arrangement contains a grid to separate the polarizations and two beam splitters to combine each resulting beam with a local oscillator signal. The combined beams are fed into independent double-sideband mixers, each with a corrugated feedhorn coupling the radiation by way of a waveguide with backshort cavity into an impedance-tuned SIS junction that performs the heterodyne down-conversion. Finally, the generated intermediate frequency signals are amplified by cryogenic and room-temperature HEMT amplifiers and exported to the telescope's back end for further processing and, finally, correlation. The receivers have been constructed and tested in the laboratory and they show excellent performance, complying with ALMA requirements. Performance statistics on all 73 Band 9 receivers are reported. On-sky characterization and tests of the performance of the Band 9 cartridges are presented using commissioning data.

研究の動機と目的

• ALMAの最高周波数帯（バンド9、600–720 GHz）に向け、高性能な変換受信機を開発・展開し、冷たい高密度な天体の準ミリ波観測を可能にすること。
• 偏光分離および局所発振子注入を統合した小型で冷却可能な受信機カートリッジを設計し、最適な信号結合と低雑音を実現すること。
• 73台のバンド9受信機を実験室および実空で特性評価し、ALMAの厳しい感度および安定性要件を満たしていることを検証すること。
• 高分解能スペクトル線および連続放射画像による初期科学的検証データを通じて、バンド9の科学的能力を実証すること。
• 同一受信機アーキテクチャ内でAlOxおよびAlNトンネル障壁SIS接合を併用可能であることを検証し、広動態範囲および低雑音性能を実現すること。

提案手法

• 受信機カートリッジは、ミラーを用いたビーム再集光系、偏光グリッド、および2つのビームスプリッタを統合し、局所発振信号と入射電波を二重偏光混合に組み合わせる。
• 各偏光経路では、溝付きフィードホーンが波導に電波を結合し、バックショートキャビティを備えたインピーダンスチューニングされた超伝導体-絶縁体-超伝導体（SIS）接合を介して変換下変周波数を実現する。
• 中間周波数（IF）信号は、冷却および常温のHEMT増幅器で増幅され、望遠鏡のIFバックエンドに送られ、処理および相関処理が行われる。
• 実験室特性評価には、RFテスト、雑音温度測定、冷却状態下での安定性評価が含まれ、ALMA仕様への適合を確認した。
• 実空性能は、フラックスおよびバンドパスキャリブレータ（例：土星、海王星）を用いて検証され、UVベースラインおよびフラックス密度関数としてのコherエンス性および振幅安定性が測定された。
• 科学的検証には、690 GHzを中心とする8 GHz幅のスペクトル窓を用い、IRAS 16293-2422の源B方向に0.3” × 0.3”領域で100本以上の発光線を捕捉した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 冷却および実空条件下における雑音温度、利得安定性、位相コherエンス性に関して、ALMAバンド9受信機の性能はいかがであるか？
• RQ2 AlOxおよびAlNトンネル障壁を有する二重偏光SIS混合器は、ALMAの科学的目標に必要な感度および動的範囲を満たすことができるか？
• RQ3 初期科学観測において、異なるUVベースラインおよびフラックスレベルで、受信機はどの程度スペクトル忠実性および振幅正確性を維持するか？
• RQ4 バンド9システムは、原始星系における複雑な線放射および連続放射構造をどの程度解像できるか？
• RQ5 特に、海王星や土星のような拡大対象に対して、バンド9周波数での絶対フラックスキャリブレーションはどの程度の精度で達成できるか？

主な発見

• 73台のバンド9受信機すべてが、実験室試験でALMA仕様を満たし、あるいは上回り、雑音温度が100 K未満で、優れた利得および位相安定性を示した。
• 実空特性評価により、バンドパスキャリブレータのコherエンス性（50%以上）が確認され、UVベースラインにわたる振幅安定性も確認された。海王星の最初の8つのノードが可視化振幅で回復された。
• 受信機は優れたスペクトル忠実性を達成し、1つの8 GHz幅スペクトル窓で、IRAS 16293-2422の源B方向0.3” × 0.3”領域で100本以上の発光線を解像した。
• AlOxおよびAlNトンネル障壁SIS接合が、同一受信機アーキテクチャ内で正常に実装され、性能要件を満たすことが実証された。
• 土星および海王星のフラックスキャリブレーションは高い精度を示し、振幅へのモデルフィットが第5ノードまで良好に一致した。これは、拡大対象に対しても成立した。
• 初期科学結果により、バンド9の科学的有効性が確認され、原始星系円盤における非対称なチリ構造および温暖な有機分子、そして進化した星における渦巻き風の存在が明らかになった。