[論文レビュー] The NIKA2 commissioning campaign: performance and first results

A. Catalano, R. Adam+40 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2016

Superconducting and THz Device Technology参考文献 12被引用数 9

ひとこと要約

NIKA2機器は、150 mKで冷やされた周波数多重化された運動エネルギー誘導検出器を用いた二バンド帯域のミリ波カメラとして、IRAM 30 m望遠鏡に順調に据え付けられ、1.15 mmおよび2.0 mm帯域で diffraction-limited 分辨能とバックグラウンド制限感度を達成した。主な成果として、すべてのサブシステムの安定した動作、偏光モードの成功、および要件を満たす光度測定およびノイズ性能の確認が得られ、2017年からのコミュニティ利用への道筋が固まった。

ABSTRACT

The New IRAM KID Array 2 (NIKA 2) is a dual-band camera operating with three frequency-multiplexed kilopixels arrays of Lumped Element Kinetic Inductance Detectors (LEKID) cooled at 150 mK. NIKA 2 is designed to observe the intensity and polarisation of the sky at 1.15 and 2.0 mm wavelength from the IRAM 30 m telescope. The NIKA 2 instrument represents a huge step in performance as compared to the NIKA pathfinder instrument, which has already shown state-of-the-art detector and photometric performance. After the commissioning planned to be accomplished at the end of 2016, NIKA 2 will be an IRAM resident instrument for the next ten years or more. NIKA 2 should allow the astrophysical community to tackle a large number of open questions reaching from the role of the Galactic magnetic field in star formation to the discrepancy between cluster-based and CMB-based cosmology possibly induced by the unknown cluster physics. We present an overview of the commissioning phase together with some first results.

研究の動機と目的

• IRAM 30 m望遠鏡向けに、二バンド、偏光検出、高分解能を備えた次世代ミリ波カメラの開発および据え付けを目的とする。
• 周波数多重化された集中定数運動エネルギー誘導検出器（LEKIDs）を導入することで、既存のボロメータアレイの限界を克服し、スケーラブルで高多重度の読み出しを実現する。
• 1.15 mmおよび2.0 mm帯域で、バックグラウンド制限感度と回折限界性能を達成し、深さのある連続スペクトル調査を可能にする。
• 一連のテストランを通じた機器性能の検証を行い、2017年までにコミュニティ利用を準備する。
• ビーム歪みや相関ノイズといった系の誤差を特定・低減し、光度測定の正確性と安定性を保証する。

提案手法

• 150 mKで冷やされたLEKIDsの周波数多重化キロピクセルアレイを3つ、ドライバージェット冷凍機を用いた冷凍キロスタットに搭載する。
• 2015年10月にIRAM 30 m望遠鏡の焦点にNIKA2機器を設置し、クロムォニック・ビームスプリッターと反射防止被膜を施したレンズを含む光学部品を装備する。
• NIKEL読み出し電子回路を用いて、1アレイあたり最大20本のフィードラインを周波数ドメイン多重化し、リアルタイムでのデータ取得とキャリブレーションを実現する。
• 2015年10月から2016年3月にかけての系統的テストランを通じて、ビームパターン、ノイズ等価フラックス密度（NEFD）、偏光応答を特徴づける。
• 標準源を用いた光度キャリブレーションと、拡張放射体のマッピングにより感度とダイナミックレンジを評価する。
• 2016年9月に機器アップグレードを実施し、2 mmアレイの交換、ノイズモニタリング用のダークピクセルの追加、読み出し基板の更新、光学被膜の強化を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地上望遠鏡から1.15 mmおよび2.0 mm帯域で、二バンド、偏光検出可能、キロピクセルスケールのKIDアレイがバックグラウンド制限感度を達成できるか？
• RQ2 ビームパターンおよびビーム形状は回折限界の期待値とどの程度一致するか？サイドローブ汚染のレベルはいかほどか？
• RQ3 焦点面の歪み、相関ノイズ、増幅率の不安定性といった系の誤差が、光度測定の正確性および感度にどの程度影響を及えるか？
• RQ4 全視野にわたり、1.15 mm帯域で15 mJy·s⁰.⁵/beam、2.0 mm帯域で10 mJy·s⁰.⁵/beamの要件を満たすNEFDを達成できるか？
• RQ5 偏光モードは、高赤方偏移銀河団におけるSunyaev-Zel’dovich効果を測定するような天体物理学的応用に十分に安定的かつ正確か？

主な発見

• 2015年10月から2016年3月にかけての最初の4回のテストラン中、冷凍、光学、読み出し電子回路のすべてのサブシステムが正常に動作した。
• ビームの形状はNIKAプロトタイプと同等のサイドローブを示し、一貫性のあるビーム性能を示した。
• 焦点面の像歪みは3つのアレイ全体で不均一であり、局所的な変動が認められ、補正が必要であった。
• ノイズ等価フラックス密度（NEFD）の測定値は要件と整合しており、1.15 mm帯域で15 mJy·s⁰.⁵/beam、2.0 mm帯域で10 mJy·s⁰.⁵/beamであった。
• 偏光モードは正常に動作し、クェーサーや拡張偏光源の初回観測により機能性が確認されたが、詳細な解析は先送りとなった。
• 低レベルのビーム歪みや相関ノイズといった系の誤差が特定され、2016年9月に計画された機器アップグレードを通じて低減が図られた。