[論文レビュー] The Atacama B-Mode Search: CMB Polarimetry with Transition-Edge-Sensor Bolometers

Thomas Essinger-Hileman, John W. Appel+16 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2010

Superconducting and THz Device Technology参考文献 4被引用数 14

ひとこと要約

アタカマBモードサーチ（ABS）は、145 GHzで大スケールBモード偏光を測定するため、240個の遷移エッジセンサ（TES）ボロメータを用いた地上ベースのCMB偏光計を提案している。低温クロスドレゴン望遠鏡と温かい半波プレートを用いた偏光モード化により、300 μK√sの予想感度を達成し、テンソル対スカラー比 r ≈ 0.05 の原始的重力波の検出が可能となる。

ABSTRACT

The Atacama B-mode Search (ABS) experiment is a 145 GHz polarimeter designed to measure the B-mode polarization of the Cosmic Microwave Background (CMB) at large angular scales. The ABS instrument will ship to the Atacama Desert of Chile fully tested and ready to observe in 2010. ABS will image large-angular-scale CMB polarization anisotropies onto a focal plane of 240 feedhorn-coupled, transition-edge sensor (TES) polarimeters, using a cryogenic crossed-Dragone design. The ABS detectors, which are fabricated at NIST, use orthomode transducers to couple orthogonal polarizations of incoming radiation onto separate TES bolometers. The incoming radiation is modulated by an ambient-temperature half-wave plate in front of the vacuum window at an aperture stop. Preliminary detector characterization indicates that the ABS detectors can achieve a sensitivity of 300 $μK \sqrt{s}$ in the field. This paper describes the ABS optical design and detector readout scheme, including feedhorn design and performance, magnetic shielding, focal plane architecture, and cryogenic electronics.

研究の動機と目的

• 宇宙インフレーションに起因する重力波の証左として、宇宙マイクロ波背景（CMB）における原始的Bモード偏光を検出すること。
• 温かい半波プレートのモード化方式と低温光学設計により、系統的誤差を最小限に抑えること。
• 240個のフィードホーン結合TES偏光計からなる大規模アレイを用いて、高い感度（300 μK√s）を達成すること。
• アタカマ砂漠に完全にテスト済みのコンテナ型機器を設置し、迅速かつ高高度での観測を可能にすること。
• 2段階の低温冷却と磁気シールドにより、4 Kおよび300 mKで熱的および磁気的ノイズを低減すること。

提案手法

• 4 Kに冷却された60 cmのミラーを備えたクロスドレゴン光学設計を採用し、熱負荷を低減するとともにビーム安定性を向上させる。
• 反射防止コーティングを施した超高分子量ポリエチレン（UHMWPE）で作られた330 mmの直径の真空窓を採用する。
• 入射偏光をモード化し、大気および機器ノイズを低減するために、開口部に温かいサファイア半波プレート（HWP）を統合する。
• 直交する偏光を別々のTESに分離するため、240個のフィードホーン結合TESボロメータに直交モード変換器（OMT）を統合する。
• SQUIDアンプとマルチチャネルエレクトロニクス（MCE）システムによる時間領域多重化を用いて、最小限の配線で信号を効率的に読み出す。
• 4 K（Cryoperm）および常温（mu-metal）で磁気シールドを実装し、少なくとも100のシールド係数を達成し、磁気干渉を抑制する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地上ベースのTESボロメータアレイは、大スケールでBモード偏光を検出するのに十分な感度を達成できるか？
• RQ2 CMB偏光計測において、温かい半波プレートは大気および機器の系統的誤差をどれほど効果的に低減できるか？
• RQ3 240個の検出器を備えた高透過率・低クロス偏光の焦点面に最適な光学設計は何か？
• RQ4 検出器の製造技術および低温読み出し技術は、現場で300 μK√s未満の感度を実現できる程度まで到達できるか？
• RQ5 多段階の磁気および熱的シールドは、コンactな地上型機器においてTESの性能を維持できるか？

主な発見

• ABS機器は、暗黒テストからの外挿と50%の光学効率を仮定して、現場で300 μK√sの感度を達成することが設計されている。
• 145 GHzにおけるシミュレートされたビームは、全波幅半最大（FWHM）が35弧分であり、240個の検出器すべてで一貫した性能を示している。
• 最初の42個のフィードホーンの測定ビームマップは理論的予測と数パーセント以内で一致しており、製造の正確性が確認された。
• 銅の熱放散部と柔軟な読み出し回路を備えた三角形のポッドを用いた焦点面アーキテクチャにより、コンactで熱負荷の低い信号経路が実現された。
• 2台のパルスチューブ冷却機と3He/4He吸収冷凍機を含む低温システムにより、検出器およびミラーの冷却に300 mKおよび4 Kの段階が維持されている。
• ABSの予想感度は、ℓ = 80–120の多重極範囲で最大となり、テンソル対スカラー比 r = 0.05 および r = 0.01 に対応するBモードパワースペクトルを検出可能である。