[논문 리뷰] QUBIC VI: cryogenic half wave plate rotator, design and performances

G. D’Alessandro, L. Mele외 127명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 24.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 32인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 QUBIC 실험을 위한 반파장판(HWP) 회전 장치의 설계 및 초저온 성능을 제시하며, 150 GHz에서 우주 마이크파배경(CMB) 복사의 정밀한 편광 조절을 가능하게 한다. 냉각기 외부에 위치한 스텝모터와 정밀한 광학 절대 인코더를 사용함으로써, 8 K 단계에 대한 열 부하(<10 mK)를 최소화하면서도 0.1° 이내의 고정밀 각도 제어를 달성하여, 낮은 교차편광을 갖는 고정밀 B-mode 편광 검출이 가능하다.

ABSTRACT

Inflation Gravity Waves B-Modes polarization detection is the ultimate goal of modern large angular scale cosmic microwave background (CMB) experiments around the world. A big effort is undergoing with the deployment of many ground-based, balloon-borne and satellite experiments using different methods to separate this faint polarized component from the incoming radiation. One of the largely used technique is the Stokes Polarimetry that uses a rotating half-wave plate (HWP) and a linear polarizer to separate and modulate the polarization components with low residual cross-polarization. This paper describes the QUBIC Stokes Polarimeter highlighting its design features and its performances. A common systematic with these devices is the generation of large spurious signals synchronous with the rotation and proportional to the emissivity of the optical elements. A key feature of the QUBIC Stokes Polarimeter is to operate at cryogenic temperature in order to minimize this unwanted component. Moving efficiently this large optical element at low temperature constitutes a big engineering challenge in order to reduce friction power dissipation. Big attention has been given during the designing phase to minimize the differential thermal contractions between parts. The rotation is driven by a stepper motor placed outside the cryostat to avoid thermal load dissipation at cryogenic temperature. The tests and the results presented in this work show that the QUBIC polarimeter can easily achieve a precision below 0.1° in positioning simply using the stepper motor precision and the optical absolute encoder. The rotation induces only few mK of extra power load on the second cryogenic stage (~ 8 K).

연구 동기 및 목표

• 우주 마이크파배경(CMB)의 정밀한 스토크스 편광 측정을 가능하게 하기 위해 QUBIC 실험을 위한 초저온 반파장판(HWP) 회전 장치를 개발하는 것.
• 초저온 온도(8 K)에서 열 부하와 기계적 마찰을 최소화하여 잡음 신호를 방지하고 검출기 감도를 유지하는 것.
• 스텝모터와 광학 절대 인코더를 사용하여 HWP 위치의 고각도 정밀도(<0.1°)를 확보함으로써 정확한 편광 조절을 실현하는 것.
• 실온, 액체 질소, QUBIC 냉각기 내에서의 시험을 통해 시스템 성능을 검증하고, 낮은 교차편광과 안정된 작동을 입증하는 것.

제안 방법

• HWP 회전 장치는 냉각기 외부에 위치한 스텝모터를 사용하여 회전을 구동함으로써 8 K 단계에 대한 열 부하를 최소화한다.
• 광학 절대 인코더를 활용한 맞춤형 위치 읽기 시스템을 통해 0.1° 이내의 각도 해상도와 재현성을 확보한다.
• 재료 간 열수축 차이를 고려하기 위해 철저한 기계적 및 열적 모델링을 수행한다.
• 150 GHz에서 이방성과 편광 조절 효율을 유지하기 위해 메타물질 구조로 HWP를 제작한다.
• 마찰을 감소시키기 위해 냉각가능 액추에이터를 이용한 활성 조절이 가능한 스트레치 풀리 메커니즘을 적용한다.
• 캘리브레이션 원천과 전력 스펙트럼 분석을 통해 스토크스 파라미터 Q와 U를 추출하여 편광 조절을 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초저온 HWP 회전 장치는 8 K 단계에 대한 열 부하를 최소화하면서도 0.1° 이내의 각도 정밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 초저온 온도에서의 회전 동안 시스템의 기계적 안정성과 열 부하는 어떻게 되는가?
• RQ3 150 GHz에서 순수한 편광 신호를 측정할 때 HWP 시스템의 교차편광 수준은 어떠한가?
• RQ4 측정된 스토크스 파라미터로 검증된 바에 따르면, HWP는 들어오는 복사의 편광 상태를 얼마나 정확히 조절할 수 있는가?
• RQ5 검출기 비선형성은 편광 측정에 어떤 영향을 미치며, 데이터 모델에서 이를 보정할 수 있는가?

주요 결과

• 외부 피드백 보정 없이도 스텝모터와 광학 인코더만으로도 HWP 회전 장치가 0.1° 이내의 위치 정밀도를 달성한다.
• 8 K 단계에 대한 회전 기구에 의해 유도되는 열 부하는 10 mK 이하로, CMB 검출기의 엄격한 열 요구 조건을 충족한다.
• 측정된 멀러 매트릭스 모델이 이상 응답에 매우 가까운 고정밀도를 보이며, 편광 측정에서 낮은 교차편광을 나타낸다.
• 검출기 비선형성을 포함한 모델과 일치하는 편광 조절 곡선을 통해 입력 스토크스 벡터의 정확한 복원이 확인된다.
• 전력 스펙트럼 분석을 통해 1 Hz에서 캘리브레이션 원천의 존재가 확인되었으며, 1.7 Hz에서의 진동 유발 신호와 2 Hz에서의 고조파가 발견되어 안정된 작동을 입증한다.
• 시스템은 실온, 액체 질소, QUBIC 냉각기 내에서의 시험을 통해 다양한 온도 영역에서의 성능이 검증되었다.