[논문 리뷰] The Submillimeter Array Antennas and Receivers

R. Blundell|arXiv (Cornell University)|2005. 08. 23.

Superconducting and THz Device Technology참고 문헌 4인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 마우나 키후에 위치한 마이크로미터파 간섭계(SMA)에서 6미터 길이의 마이크로미터파 어레이 안테나와 그들의 고온성 수신기 시스템의 설계, 구축, 운영 성능에 대해 기술한다. 굴절형 나스미스 콘figuration과 통합된 고온성 냉각기를 사용함으로써, 850GHz에서 하위초점각 해상도(최소 0.1")를 달성하며, 230–900GHz 대역에서 동시 双대 대역 작동이 가능하여 냉각된 천체 물질의 고감도 관측을 가능하게 한다.

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)

연구 동기 및 목표

• 높은 정밀도와 재구성 가능한 6미터 마이크로미터파 간섭계를 설계 및 구축하여 해상도를 향상시키기.
• 3차 및 타원형 거울을 포함한 빔 웨이브가이드 시스템을 개발하여 고온성 수신기의 효율적이고 정확한 결합 및 캘리브레이션을 실현하기.
• 각 안테나 내부에 고온성 냉각기를 통합하여 수신기를 4K로 유지함으로써 저노이즈 작동을 확보하기.
• 다양한 대기 창문을 통해 동시에 이중 주파수 및 이중 편광 관측을 가능하게 하기.
• 냉각된 간성 물질 연구를 위한 고감도 관측을 위해 850GHz에서 하위초점각 해상도(최소 0.1")를 달성하기.

제안 방법

• SMA는 고정된 평면형 3차 거울과 두 개의 타원형 거울을 사용하여 빔 웨이브가이드 구성을 굴절형 나스미스 방식으로 구성함으로써, 수신기 캘리브레이션을 위한 2차 초점면을 형성한다.
• 고정 거울과 회전하는 와이어 격자 편광판을 사용하여 신호를 적절한 수신기로 선택 및 라우팅한다.
• 각 안테나에는 최대 8개의 수신기를 4K로 냉각할 수 있는 단일 고온보존기와 통합된 고온성 냉각기가 내장되어 있다.
• 시스템은 주로 3개의 수신기 대역을 지원한다: 175–255GHz, 250–350GHz, 600–720GHz이며, 650GHz 수신기와 하위 대역 중 하나와의 동시 작동이 가능하다.
• 향후 업그레이드로 325–350GHz 대역에서 이중 편광 작동과 고주파 대역(325–425GHz, 425–510GHz, 600–720GHz, 800–900GHz)에서의 이중 주파수 작동이 가능해질 예정이다.
• 안테나 재구성 기능을 통해 기준선 길이와 주파수를 활용하여 200GHz에서 0.5", 850GHz에서 0.1"의 공간 해상도를 확보할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 굴절형 나스미스 구성의 빔 웨이브가이드 시스템은 마이크로미터파 신호를 고온성 수신기에 효율적이고 안정적으로 결합할 수 있는가?
• RQ2 6미터 안테나의 표면 정밀도와 안정도는 마이크로미터파 간섭계의 고해상도 성능을 지원하는 데 얼마나 충족되는가?
• RQ3 원격 고고도 환경에서 장기간 운영 중에 통합 고온성 냉각기가 다수의 수신기를 4K로 유지할 수 있는가?
• RQ4 SMA의 운영 주파수 대역 전반에서 달성 가능한 최대 공간 해상도는 얼마인가?
• RQ5 이중 주파수 및 이중 편광 작동의 기술적 제약 사항과 향후 업그레이드 가능 경로는 무엇인가?

주요 결과

• SMA 안테나는 마이크로미터 파장에서 고정밀 웨이브프론트 제어를 가능하게 하는 25미크론 미만의 표면 정밀도를 확보하였다.
• 타원형 거울과 회전하는 와이어 격자로 구성된 빔 웨이브가이드 시스템은 다양한 수신기 대역에서 효율적인 신호 라우팅과 캘리브레이션을 실현하였다.
• 650GHz 수신기와 175–255GHz 또는 250–350GHz 수신기 중 하나와의 동시 작동이 성공적으로 검증되었다.
• 안테나 재구성 및 기준선 최적화를 통해 200GHz에서 0.5", 850GHz에서 0.1"의 공간 해상도를 달성하였다.
• 통합 고온성 냉각기는 수신기 온도를 4K로 유지하여 감도 있는 천체 탐지에 필수적인 저노이즈 성능을 확보하였다.
• 향후 업그레이드로 325–350GHz 대역에서 이중 편광 작동과 고주파 대역(최대 900GHz)에서의 이중 주파수 작동이 가능해질 것이다.