[논문 리뷰] The Atacama B-Mode Search: CMB Polarimetry with Transition-Edge-Sensor Bolometers

Thomas Essinger-Hileman, John W. Appel외 16명|arXiv (Cornell University)|2010. 08. 23.

Superconducting and THz Device Technology참고 문헌 4인용 수 14

한 줄 요약

아타카마 B-모드 탐색(ABS)은 145 GHz에서 대규모 구조 B-모드 편광을 측정하기 위해 240개의 전이변전도 센서(TES) 봄비미터를 사용하는 지상 기반 CMB 편광계를 제안한다. 냉각된 교차 드라곤 렌즈와 뜨거운 반파장판을 이용한 편광 조절을 통해, 이 기구는 300 μK√s의 예측 감도를 확보하여 초기 우주의 중력파를 탐지할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 우주의 초기 팽창 기간 동안 발생한 중력파의 증거로 여겨지는 우주 마이크로파 배경(CMB)의 원초적 B-모드 편광을 탐지하기 위해.
• 따뜻한 반파장판 조절 방식과 냉각된 광학 설계를 통해 시스템적 오차를 최소화하기 위해.
• 240개의 피드혼 커플드 TES 편광계로 구성된 대규모 배열을 통해 고감도(300 μK√s)를 달성하기 위해.
• 아타카마 사막에서 빠르고 고도가 높은 관측을 위해 완전히 테스트된 컨테이너형 기구를 도입하기 위해.
• 다단계 냉각과 4 K 및 300 mK에서의 자기 차폐를 통해 열 및 자기 노이즈를 감소시키기 위해.

제안 방법

• 4 K로 냉각된 60cm 렌즈를 갖춘 교차 드라곤 광학 설계를 사용하여 열 부하를 최소화하고 빔 안정성을 향상시킨다.
• 반사 방지 코팅을 가진 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 진공 창(직경 330 mm)을 사용한다.
• 입사된 편광을 조절하고 대기 및 기구적 노이즈를 억제하기 위해 광학 정점에 따뜻한 사파이어 반파장판(HWP)을 통합한다.
• 직교 편광을 별도의 TES에 분리하기 위해 240개의 피드혼 커플드 TES 봄비미터에 옥모드 트랜스듀서(OMT)를 통합한다.
• SQUID 증폭기와 다중채널 전자기기(MCE) 시스템을 이용한 시간 영역 다중화를 통해 신호를 효율적으로 읽고 와iring을 최소화한다.
• 4 K에서의 자기 차폐(Cryoperm)와 실온에서의 mu-metal 차폐를 통해 최소 100배의 차폐 효과를 달성하여 자기 간섭을 억제한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지상 기반 TES 봄비미터 어레이가 대각도 스케일에서 B-모드 편광을 탐지할 수 있는 충분한 감도를 확보할 수 있는가?
• RQ2 따뜻한 반파장판이 CMB 편광계에서 대기 및 기구적 시스템적 오차를 억제하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ3 240개의 검출기를 갖춘 고투과율, 저교차편광성 초점면에 최적의 광학 설계는 무엇인가?
• RQ4 검출기 제작 및 냉각된 신호 읽기 기술이 현장에서 300 μK√s 이하의 감도를 실현하는 데 얼마나 기여하는가?
• RQ5 다단계 자기 및 열 차폐가 컴act한 지상 기반 기구에서 TES 성능을 유지하는 데 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• ABS 기구는 어두운 실험 결과를 바탕으로 50% 광학 효율을 가정할 때, 현장에서 300 μK√s의 감도를 확보할 수 있도록 설계되었다.
• 145 GHz에서의 시뮬레이션 빔은 전체 240개 검출기에서 일관된 성능을 보이며, 반폭이 35 분원으로 나타났다.
• 첫 42개의 피드혼에 대한 측정 빔 맵은 이론적 예측과 몇 퍼센트 이내로 일치하여 제작 정밀도를 확인했다.
• 구리 열교환과 유연한 신호 전달 회로를 갖춘 삼각형 패드를 사용한 초점면 아키텍처는 컴act하고 열 부하가 낮은 신호 전달 경로를 가능하게 한다.
• 두 대의 펄스 튜브 냉각기와 3He/4He 흡착 냉각기로 구성된 냉각 시스템은 검출기 및 렌즈 냉각을 위한 300 mK 및 4 K 단계를 유지한다.
• ABS의 예측 감도는 ℓ = 80–120 범위에서 최대가 되며, 여기서는 탄성비율 r = 0.05 및 r = 0.01에 해당하는 B-모드 전력 스펙트럼을 탐지할 수 있다.