[论文解读] QUBIC VI: cryogenic half wave plate rotator, design and performances

G. D’Alessandro, L. Mele+127 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 32被引用 5

一句话总结

本文介绍了QUBIC实验用半波片（HWP）转台的设计与低温性能，实现了在150 GHz频段对宇宙微波背景（CMB）辐射的精确偏振调制。通过使用低温恒温器外部的步进电机和高精度光学绝对编码器，该系统在8 K级低温下实现小于0.1°的角精度，且热负载低于10 mK，从而实现高保真度的B模偏振探测，并具有低串扰偏振特性。

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).

研究动机与目标

• 为QUBIC实验开发一种低温半波片（HWP）转台，以实现对宇宙微波背景（CMB）的精确斯托克斯偏振测量。
• 在低温环境（8 K）下最小化HWP旋转系统的热负载与机械摩擦，以避免引入虚假信号并维持探测器灵敏度。
• 通过步进电机与光学绝对编码器实现HWP定位的高角精度（<0.1°），确保精确的偏振调制。
• 通过室温、液氮及QUBIC低温恒温器内的测试验证系统性能，证明其具有低串扰偏振与稳定运行特性。

提出的方法

• HWP转台采用位于低温恒温器外部的步进电机驱动旋转，以最小化8 K级的热负载。
• 采用定制的位置读出系统，结合光学绝对编码器，确保角分辨率与重复性优于0.1°。
• 通过细致的机械与热力建模，考虑材料间差异热收缩的影响。
• HWP采用超材料结构，以在150 GHz频段保持双折射性与偏振调制效率。
• 系统采用张紧滑轮机构，并通过低温执行器主动调节张力，以降低摩擦。
• 利用校准源与功率谱分析测量偏振调制，提取斯托克斯参数Q与U。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在最小化8 K级热负载的前提下，实现低温HWP转台的亚0.1°角精度？
• RQ2 该系统在低温下旋转时的机械稳定性与热负载表现如何？
• RQ3 当在150 GHz下测量纯偏振信号时，HWP系统的串扰偏振水平如何？
• RQ4 HWP对入射辐射偏振态的调制精度如何？该精度通过实测斯托克斯参数得到验证。
• RQ5 探测器非线性对偏振测量的影响程度如何？是否可在数据模型中进行校正？

主要发现

• 仅通过步进电机与光学绝对编码器，HWP转台即可实现0.1°的角定位精度，无需外部反馈校正。
• 旋转机构在第二级低温（8 K）上引入的热负载低于10 mK，满足CMB探测器对热负荷的严格要求。
• 系统在偏振测量中表现出低串扰偏振特性，150 GHz下的穆勒矩阵模型与理想响应高度一致。
• 偏振调制曲线与包含探测器非线性的模型拟合良好，证实了输入斯托克斯矢量的准确恢复。
• 功率谱分析确认了1 Hz处校准源的存在，并识别出1.7 Hz的振动信号及其2 Hz的谐波，表明系统运行稳定。
• 该系统已在室温、液氮及QUBIC低温恒温器中成功测试，验证了其在不同温区下的性能表现。