[논문 리뷰] Prototype finline-coupled TES bolometers for CLOVER

Michael D. Audley, R. W. Barker외 18명|arXiv (Cornell University)|2006. 08. 14.

Superconducting and THz Device Technology참고 문헌 11인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 CℓOVER 실험을 위해 고체 마이크로파 빔에서의 원시 B-모드 편광을 탐지하고자 하는 목적으로, 필라인 커플드 전이 에지 센서(TES) 볼로미터의 설계, 제작 및 初기 테스트를 제시한다. 이 검출기는 단일 칩 TES를 필라인을 통해 분할 블록 웨이브가이드에 커플링하며, 시간 분할 SQUID 멀티플렉싱 방식을 사용한다. 230 mK에서의 프로토타입 성능은 고품질의 TES 필름과 실리콘 기판 상에서의 필라인 전이 성공을 확인하였지만, 전체 출력 처리 능력을 확보하기 위해 열 설계 개선이 필요하다.

ABSTRACT

CLOVER is an experiment which aims to detect the signature of gravitational waves from inflation by measuring the B-mode polarization of the cosmic microwave background. CLOVER consists of three telescopes operating at 97, 150, and 220 GHz. The 97-GHz telescope has 160 feedhorns in its focal plane while the 150 and 220-GHz telescopes have 256 horns each. The horns are arranged in a hexagonal array and feed a polarimeter which uses finline-coupled TES bolometers as detectors. To detect the two polarizations the 97-GHz telescope has 320 detectors while the 150 and 220-GHz telescopes have 512 detectors each. To achieve the target NEPs (1.5, 2.5, and 4.5x10^-17 W/rtHz) the detectors are cooled to 100 mK for the 97 and 150-GHz polarimeters and 230 mK for the 220-GHz polarimeter. Each detector is fabricated as a single chip to ensure a 100% operational focal plane. The detectors are contained in linear modules made of copper which form split-block waveguides. The detector modules contain 16 or 20 detectors each for compatibility with the hexagonal arrays of horns in the telescopes' focal planes. Each detector module contains a time-division SQUID multiplexer to read out the detectors. Further amplification of the multiplexed signals is provided by SQUID series arrays. The first prototype detectors for CLOVER operate with a bath temperature of 230 mK and are used to validate the detector design as well as the polarimeter technology. We describe the design of the CLOVER detectors, detector blocks, and readout, and present preliminary measurements of the prototype detectors performance.

연구 동기 및 목표

• CℓOVER 실험을 위한 확장 가능하고 고감도의 검출기 시스템을 개발하여, 천체배경복사에서 B-모드 편광을 측정한다.
• 피드혼이 장착된 포커스 플레인에 TES 볼로미터를 통합하는 과제를 해결하기 위해, 대규모 단일 구조의 배열 대신 개별 검출기 칩에 필라인 커플링을 사용한다.
• 각 검출기를 단일 칩에 제작하여 100% 작동 수율을 확보함으로써 고성능 장치의 선별이 가능하도록 한다.
• 100 mK 및 230 mK에서 각기 다른 주파수 대역을 대상으로 전면 투입 전에, 230 mK에서의 프로토타입을 통해 극자성도 기술 및 검출기 설계를 검증한다.

제안 방법

• 각 검출기는 고정밀 질화막을 포함한 단일 칩 TES로 제작되며, 효율적인 밀리미터파 신호 전달을 위해 필라인 웨이브가이드에 커플링된다.
• 필라인 전이는 실리콘 기판 상에 통합되어 상부 및 하부 구리 검출기 블록으로 구성된 분할 블록 웨이브가이드에 연결된다.
• 검출기 블록은 모듈식 설계로, 각각 16 또는 20개의 검출기를 수용하며, 개별 구리 칩 홀더를 통해 열적 및 기계적 응력에서 분리된다.
• 전기적 연결은 저열 전도성 및 자기 차폐를 위한 금 도금,Sn-솔더 처리된 초전도성 PCB의 흰색 알루미늄 실리콘 와이어 뱅드를 통해 이루어진다.
• 읽기 아키텍처로 시간 분할 SQUID 멀티플렉서를 사용하며, SQUID 시리즈 어레이가 추가로 증폭하여 읽기 노이즈를 최소화한다.
• 자기 차폐는 니오브늄 호일과 메트글라스 2705M를 사용하며, 냉각기 내 추가 고투자율 차폐체를 통해 SQUID가 플럭스 노이즈로부터 보호된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 230 mK에서 필라인 커플드 TES 볼로미터를 성공적으로 제작하고 작동시켜 CℓOVER의 검출기 및 극자성도 설계를 검증할 수 있는가?
• RQ2 단일 칩 검출기 아키텍처는 대규모 단일 구조 배열의 비효율성을 피하면서도 고수율과 고성능을 보장할 수 있는가?
• RQ3 밀리미터파 탐지에 있어 모드 누설이나 커플링 손실 없이 실리콘 기판 상에 필라인 전이를 신뢰성 있게 적용할 수 있는가?
• RQ4 부분적으로 사용된 1×32 SQUID 멀티플렉서 칩을 사용하는 모듈식 검출기 블록 설계는 노이즈 성능과 비용 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 실제 천체 신호 부하 조건 하에서 검출기 칩의 열 성능은 어떠한가? 75% 듀티 사이클 작동 중에 포화 없이 처리할 수 있는가?

주요 결과

• 프로토타입 TES 필름은 낮은 노이즈와 안정된 작동을 보이며, CℓOVER의 NEP 요구사항을 충족할 수 있는 감도를 나타낸다.
• 실리콘 기판 상에서 필라인 전이를 최초로 성공적으로 구현하여, 이 커플링 방법의 실현 가능성을 확인하였다.
• 개별 칩 홀더를 갖춘 검출기 블록 설계는 신뢰할 수 있는 열적 및 기계적 분리 구조를 제공하여, 응력 유발 고장 위험을 감소시켰다.
• 부분적으로 사용된 1×32 SQUID 멀티플렉서 칩의 사용은 최적의 비아스 설정과 더 낮은 앨리어즈 읽기 노이즈를 가능하게 하여 전체 NEP 향상에 기여하였다.
• 모듈식 검출기 블록 레이아웃은 동일한 구성 요소를 사용하여 정육각형 피드혼 어레이를 균일하게 커버할 수 있어, 비용과 복잡성을 감소시켰다.
• 특히 220 GHz 대역에서 6.7–18.8 pW의 출력 처리 요구사항을 충족하기 위해 열 설계의 추가 최적화가 필요하다.