[논문 리뷰] Optical Design of the EXperiment for Cryogenic Large-Aperture Intensity Mapping (EXCLAIM)

Thomas M. Essinger-Hileman, Chmaytelli, Danny외 24명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 18.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 68인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 90cm 오프애크스 그레고리안 망원경을 사용하는 비행기 수용성 냉각 망원경 EXCLAIM의 광학 설계를 제시한다. 반사 광학계를 통해 480GHz에서 22.5arcmin 시야각 내에서 4.2arcmin FWHM 해상도를 달성한다. 시스템은 냉각된 방출 방지 장치와 냉각된 스토퍼를 통해 따뜻한 구성 요소에 대한 열기여를 최소화하여 열배경을 억제하며, < -40 dB의 가장자리 조명을 달성한다. 이는 POPPY 및 CST 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, z < 1 및 z = 2.5–3.5에서 CO 및 [CII] 선의 낮은 배경 강도 맵핑을 가능하게 한다.

ABSTRACT

This work describes the design and implementation of optics for EXCLAIM, the EXperiment for Cryogenic Large-Aperture Intensity Mapping. EXCLAIM is a balloon-borne telescope that will measure integrated line emission from carbon monoxide (CO) at redshifts $z&lt;1$ and ionized carbon ([CII]) at redshifts $z = 2.5-3.5$ to probe star formation over cosmic time in cross-correlation with galaxy redshift surveys. The EXCLAIM instrument is designed to observe at frequencies of $420$--$540$ GHz using six microfabricated silicon integrated spectrometers with spectral resolving power $R = 512$ coupled to kinetic inductance detectors (KIDs). A completely cryogenic telescope cooled to a temperature below 5~K provides low-background observations between narrow atmospheric lines in the stratosphere. Off-axis reflective optics use a $90$-cm primary mirror to provide $4.2^\prime$ full-width at half-maximum (FWHM) resolution at the center of the EXCLAIM band over a field of view of $22.5^\prime$. Illumination of the $1.7$ K cold stop combined with blackened baffling at multiple places in the optical system ensure low ($&lt; -40$ dB) edge illumination of the primary to minimize spill onto warmer elements at the top of the dewar.

연구 동기 및 목표

• 고적색도에서 약한 통합 선 방출을 통해 우주의 별 형성 역사에 대한 넓은 영역의 빈도 맵핑을 가능하게 하기 위해, 약한 CO 및 [CII] 선의 통합 방출을 이용한 광역, 빈도 맵핑을 가능하게 하기 위해.
• 기존의 은하 설문 조사의 한계를 극복하기 위해, 특정 선에서의 모든 방출을 선택 편향 없이 맵핑하기 위해.
• 초과액체 헬륨를 사용해 전체 광학 체인을 5K 이하로 냉각하여 낮은 배경 관측을 달성하기 위해.
• 냉각된 시스템에 흡수성 빔프로파일러와 냉각된 스토퍼를 설계하여 따뜻한 구성 요소에 대한 열기여와 산란광을 최소화하기 위해.
• 효율적인 은하계 및 은하수 평면 영역 조사의 위해 고각 해상도(4.2′ FWHM)와 넓은 시야각(22.5′)을 확보하기 위해.

제안 방법

• EXCLAIM 망원경은 90cm 원추형 주망원경, 10cm 원추형 보조망원경, 그리고 용기 부피에 맞추기 위해 30cm 평면 반사판을 포함한 이중 거울 오프애크스 그레고리안 설계를 사용한다.
• 수신기 광학관 내부에 10cm 실리콘 렌즈를 사용하여 빔을 형상화하고 분광계에 대한 결합을 향상시킨다.
• 산란광 억제 및 따뜻한 표면 조명 방지를 위해 중간 초점과 광학관을 따라 냉각된 빔프로파일러를 배치한다.
• 냉각된 스토퍼는 1.7K로 냉각되며, 검은 색 빔프로파일러와 함께 조합되어 주망원경의 가장자리 조명을 < -40 dB 이하로 유지한다.
• 광학 성능은 고주파수에서의 풀웨이브 전자기 시뮬레이션을 위해 CST 마이크로파 스튜디오와 펄스 프로파일레이션을 위한 POPPY를 사용하여 시뮬레이션한다.
• 주망원경 조명의 푸리에 변환을 통해 빔 패턴을 분석하고, 가장자리 테이퍼 및 파장 기반의 분석 모델과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 냉각된 비행기 수용성 망원경이 우주론적으로 관련된 적색도에서 CO 및 [CII] 선의 빈도 맵핑을 위해 충분한 각 해상도(4.2′ FWHM)와 넓은 시야각(22.5′)을 확보할 수 있는가?
• RQ2 용기 상단의 따뜻한 구성 요소에 대한 누출 조명을 -40 dB 이하로 억제하는 방법은 무엇인가?
• RQ3 오프애크스 망원경 시스템에서 광학 빔프로파일러를 포함할 경우, 원거리 빔 성능이 얼마나 떨어지는가?
• RQ4 복잡한 조명 조건을 가진 실제 오프애크스 시스템에서 가장자리 테이퍼와 파장 기반의 분석 모델이 빔 FWHM를 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ5 실제 빔 기하학을 반영한 빔프로파일러 기하학을 사용하여 CST 마이크로파 스튜디오에서 고주파 전자기 시뮬레이션을 수행할 경우, 전체 광학 시스템의 빔 패턴을 정확하게 모델링할 수 있는가?

주요 결과

• EXCLAIM 광학 시스템은 480GHz에서 22.5arcmin 시야각 내에서 4.2arcmin FWHM 빔 폭을 달성하여, 빈도 맵핑에 필요한 해상도를 충족시킨다.
• 전체 시스템의 POPPY 시뮬레이션 결과, 원거리 빔 FWHM는 4.33arcmin로 목표 해상도와 매우 유사하다.
• 광학 빔프로파일러를 포함함으로써 주망원경에 대한 누출 조명이 -40 dB 이하로 감소하여 열배경이 크게 억제된다.
• 가장자리 테이퍼와 파장 기반의 빔 FWHM 분석 추정치는 파장에 따라 선형 스케일링을 보이며, 시뮬레이션 결과와 10^7의 정밀도 내에서 일치한다.
• CST 마이크로파 스튜디오 시뮬레이션은 아직 완료되지 않았지만, POPPY 결과를 검증하고 따뜻한 표면에 대한 낮은 누출을 확인할 것으로 기대된다.
• 빔프로파일러로 인한 빔 성능 저하가 최소화되어, 시뮬레이션된 빔 폭과 추정된 빔 폭 간의 작은 차이를 통해 시스템이 뛰어난 성능을 보임을 입증한다.