[論文レビュー] The Submillimeter Array Antennas and Receivers

R. Blundell|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2005

Superconducting and THz Device Technology参考文献 4被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、マウナケアのサブミリ波干渉計（SMA）に設置された6メートルのサブミリ波干渉計アレイアンテナおよびその冷媒受信機システムの設計、導入、運用性能について詳述している。ビームウェーブガイドを用いた湾曲ナズミス構成と統合された冷媒冷却器を採用することで、850 GHzで0.1"に達するサブアーセコンドの分解能が達成され、230–900 GHz帯域で同時に二帯域の運用が可能となり、寒冷な天体的対象の高感度観測が可能となる。

ABSTRACT

The Submillimeter Array (SMA) was conceived at the Smithsonian Astrophysical Observatory in 1984 as a six element interferometer to operate in the major atmospheric windows from about 200 to 900 GHz. In 1996, the Academica Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics of Taiwan joined the project and agreed to provide additional hardware to expand the interferometer to eight elements. All eight antennas are now operating at the observatory site on Mauna Kea, and astronomical observations have been made in the 230, 345, and 650 GHz bands. The SMA antennas have a diameter of 6 m, a surface accuracy of better than 25 micron rms, and can be reconfigured to provide spatial resolutions down to about 0.5" at 200 GHz and, eventually, 0.1" at 850 GHz. Coupling to the receiver package within each antenna is achieved via a beam waveguide, in a bent Nasmyth configuration, comprised of a flat tertiary mirror and two ellipsoidal mirrors that form a secondary pupil used for receiver calibration. An additional fixed mirror and a rotating wire grid polarizer are then used for receiver selection. Each antenna houses a single cryostat, with an integrated cryocooler capable of cooling up to eight receivers to 4 K. In the current configuration only three receiver bands are available: 175-255 GHz, 250-350 GHz, and 600-720 GHz, and simultaneous operation of the 650 GHz receiver with either of the lower frequency receivers is possible. Eventually dual polarization will be available from 325-350 GHz, and dual frequency operation will be possible, pairing either of the lower frequency receivers with any of the high frequency units: 325-425 GHz, 425-510 GHz, 600-720 GHz, and 800-900 GHz. (Abridged)

研究の動機と目的

• 高精度で再構成可能な6メートルのサブミリ波干渉計を設計・導入し、分解能を向上させる。
• 三次鏡および楕円面鏡を備えたビームウェーブガイドシステムを構築し、冷媒受信機への効率的かつ正確な結合とキャリブレーションを実現する。
• 各アンテナ内に冷媒冷却器を統合し、受信機を4 Kに保つことで低ノイズ動作を実現する。
• 複数の電波透過窓帯域で、同時に二周波数・二偏光の観測を可能にする。
• 850 GHzでサブアーセコンドの分解能（0.1"まで）を達成し、寒冷な星間媒体の高感度研究を実現する。

提案手法

• SMAは、平らな三次鏡と二つの楕円面鏡を用いて、受信機キャリブレーション用の二次的焦点を形成する、湾曲ナズミス構成のビームウェーブガイドを採用している。
• 固定ミラーと回転するワイヤーグリッド偏光子を用いて、信号を適切な受信機に選択的かつ効率的にルーティングする。
• 各アンテナには、最大8台の受信機を4 Kに冷却できる1つの冷温器を内蔵した冷温器装置を搭載している。
• 本システムは、主に三つの受信機帯域をサポートする：175–255 GHz、250–350 GHz、600–720 GHz。650 GHz帯と下位帯のいずれかと同時に運用可能である。
• 今後のアップグレードでは、325–350 GHz帯で二偏光をサポートし、高周波数帯域（325–425 GHz、425–510 GHz、600–720 GHz、800–900 GHz）で二周波数運用が可能になる予定である。
• アンテナの再構成により、200 GHzで0.5"、850 GHzで0.1"の空間分解能が達成され、基線長と周波数を活用している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 湾曲ナズミス構成のビームウェーブガイドシステムは、どのようにサブミリ波信号を冷媒受信機に効率的かつ安定的に結合可能にするか？
• RQ2 6メートルのアンテナが、サブミリ波干渉計に適した高分解能を実現するための表面精度と安定性をどの程度達成できるか？
• RQ3 統合された冷媒冷却器は、遠隔地かつ高地環境で長期間にわたり複数の受信機を4 Kに維持できるか？
• RQ4 SMAが運用する周波数帯域全域で達成可能な最大空間分解能はどの程度か？
• RQ5 二周波数および二偏光運用における技術的制限要因と今後のアップグレードの可能性は何か？

主な発見

• SMAのアンテナは、25ミクロン未満の表面精度（rms）を達成しており、サブミリ波長域で高精度な波面制御が可能である。
• 楕円面鏡と回転ワイヤーグリッドを備えたビームウェーブガイドシステムにより、複数の受信機帯域にわたる効率的な信号ルーティングとキャリブレーションが実現された。
• 650 GHz帯受信機と175–255 GHz帯または250–350 GHz帯受信機の同時運用が成功裏に実証された。
• アンテナの再構成と基線最適化により、200 GHzで0.5"、850 GHzで0.1"の空間分解能が達成された。
• 統合された冷媒冷却器は、受信機温度を4 Kに維持し、高感度天体観測に不可欠な低ノイズ性能を確保した。
• 今後のアップグレードでは、325–350 GHz帯で二偏光をサポートし、900 GHzまで達する高周波数帯域で二周波数運用が可能になる予定である。