[论文解读] First Generation Heterodyne Instrumentation Concepts for the Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope

Christopher Groppi, A. Baryshev+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2019

Superconducting and THz Device Technology参考文献 6被引用 8

一句话总结

本文提出了阿塔卡马大孔径亚毫米波望远镜（AtLAST）的首代外差探测仪概念，该望远镜为一所在建的50米亚毫米波望远镜，其视场大于1°。借助高密度外差焦面阵列技术的进步，该设计实现了高效、高分辨率的天区测绘，并实现了完整的u,v平面覆盖，克服了干涉仪巡天在测绘速度和扩展源恢复方面的局限性。

ABSTRACT

(abridged) The Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope (AtLAST) project aims to build a 50-m-class submm telescope with $>1^\circ$ field of view, high in the Atacama Desert, providing fast and detailed mapping of the mm/submm sky. It will thus serve as a strong complement to existing facilities such as ALMA. ALMA's small field of view ($<15^{\prime\prime}$ at 350 GHz) limits its mapping speed for large surveys. Instead, a single dish with a large field of view such as the AtLAST concept can host large multi-element instruments that can more efficiently map large portions of the sky. Small aperture survey instruments (typically much smaller than $<3 imes$ the size of an interferometric array element) can mitigate this somewhat but lack the resolution for accurate recovery of source location and have small collecting areas. Furthermore, small aperture survey instruments do not provide sufficient overlap in the spatial scales they sample to provide a complete reconstruction of extended sources (i.e.\ the zero-spacing information is incomplete in $u,v$-space.) The heterodyne instrumentation for the AtLAST telescope that we consider here will take advantage of extensive developments in the past decade improving the performance and pixel count of heterodyne focal plane arrays. Such instrumentation, with higher pixel counts, has alredy begun to take advantage of integration in the focal planes to increase packaging efficiency over simply stacking modular mixer blocks in the focal plane. We extrapolate from the current state-of-the-art to present concept first-generation heterodyne designs for AtLAST.

研究动机与目标

• 为阿塔卡马大孔径亚毫米波望远镜（AtLAST）开发首代外差探测仪概念，以实现高效、高分辨率的天区巡天。
• 解决现有干涉仪设施（如ALMA）的局限性，其视场较小（在350 GHz时小于15′′）且大规模巡天测绘速度慢。
• 通过实现完整的u,v空间零基线信息，克服小孔径巡天仪器在u,v空间中零基线信息不完整的问题，从而实现完整的空间动态范围恢复。
• 利用高密度外差焦面阵列的最新进展，实现高像素数和相较于模块化混频器模块更高的封装效率。
• 确保仪器设计支持快速测绘和对扩展亚毫米波源的精确源定位。

提出的方法

• 本研究从当前最先进的外差焦面技术出发，推演出为AtLAST设计首代仪器的方案。
• 强调在焦平面上集成高密度混频器阵列，以相比堆叠式模块化混频器块提升封装效率。
• 该设计采用工作在亚毫米波波段的多像素外差接收机，利用超导隧道结混频器和低噪声放大器的最新进展。
• 该仪器概念针对大视场观测（>1°视场）进行了优化，可实现大天区范围的高效测绘。
• 通过采样所有空间尺度，包括零基线信息，确保完整的u,v平面覆盖，这对于准确重建扩展源至关重要。
• 该方法整合了本地振荡器分配、信号读出架构和低温封装等系统级考量，以实现高性能运行。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计外差探测仪，以在单镜面望远镜上实现大规模亚毫米波巡天的测绘效率最大化？
• RQ2 为AtLAST的外差焦面阵列实现高像素数和高封装效率的关键技术要求是什么？
• RQ3 在50米望远镜上进行大视场外差观测，相较于干涉仪或小孔径巡天仪器，如何改善u,v平面覆盖？
• RQ4 首代AtLAST外差探测仪在灵敏度、测绘速度和源定位精度之间存在哪些性能权衡？
• RQ5 近期外差技术的进展在多大程度上可外推，以实现AtLAST首代仪器的可行性？

主要发现

• 所提出的外差探测仪概念实现了完整的u,v平面覆盖，包括零基线信息，这对于准确重建扩展亚毫米波源至关重要。
• 在外差混频器在焦平面上的高密度集成，相比传统的混频器模块堆叠方式，显著提升了封装效率。
• 该仪器设计支持大视场观测（>1°视场），可实现大天区范围的快速高效测绘，克服了ALMA等干涉仪设施的速度限制。
• 该概念利用了超导隧道结混频器和低噪声放大器的最新技术进展，实现了高灵敏度和高像素数。
• 通过在u,v平面上保持完整的空间动态范围，该设计确保了高角分辨率和精确的源定位。
• 该仪器框架具备可扩展性和可适应性，支持未来升级，可同时满足深度巡天和高分辨率测绘的需求。