[論文レビュー] The 90 and 150 GHz universal focal-plane modules for the Simons Observatory

Heather McCarrick, Kam Arnold+22 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2021

Superconducting and THz Device Technology被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、シモンズ観測所のための中周波帯ユニバーサルフォーカルプレーンモジュール（MF UFMs）の設計、プロセス、および特性評価を提示している。各モジュールには、90および150 GHzで動作する1,728個の遷移エッジセンサー（TES）ボロメータが搭載されており、SATにおける予想されるスカイ上での等価ノイズ温度は3.3 μK√sに達し、必要な3.4 μK√sを上回っている。これは、1,000倍のマルチプレクシングと宇宙背景放射測定に適した高感度を実証している。

ABSTRACT

The Simons Observatory (SO) is a suite of telescopes located in the Atacama Desert in Chile that will make sensitive measurements of the cosmic microwave background. There are a host of cosmological and astrophysical questions that SO is forecasted to address. The universal focal-plane modules (UFMs) populate the four SO telescope receiver focal planes. There are three varieties of UFMs, each of which contains transition-edge-sensor bolometers observing in two spectral bands between 30 and 290~GHz. We describe the novel mid-frequency UFMs, which target two of the six spectral bands at 90 and 150~GHz and are central to the cosmological goals of SO.

研究の動機と目的

• シモンズ観測所における大口径および小口径望遠鏡の両方と互換性を持つ、スケーラブルでユニバーサルなフォーカルプレーンモジュールアーキテクチャの開発。
• 宇宙論的CMB測定に適した、90および150 GHzで動作するTESボロメータアレイにおける高感度および低ノイズ性能の実現。
• マイクロ波SQUIDリードアウトを用いた1,000倍TESマルチプレクシングを実現し、SOの要件を下回るノイズ性能を達成すること。
• 予想されるアレイNETと光学効率に基づいた受入基準を確立し、26台のモジュールにわたる堅牢な性能を保証すること。
• SOの4台の望遠鏡にわたって60,000個以上のTESボロメータを展開可能にし、スペクトルバンドにわたる一貫性のある性能を実現すること。

提案手法

• MF UFMは、ゴールドメッキ処理を施したアルミニウムスプリングフィードホーンアレイ、フォトニックチョーク、バックショート、デュアロイドTSEボロメータを備えたシリコンベースの検出器スタック、およびマイクロ波SQUIDマルチプレクシング用のコールドユニバーサルμ-muxモジュールを統合している。
• 検出器スタックは、RFプローブトーンとDCフラックスランプバイアスを用いて1,000倍のTESボロメータマルチプレクシングを可能にするコールドマルチプレクサ（μ-mux）に取り付けられている。
• システムは、コールドリードアウトとのインターフェースと検出器パrameterの測定を目的としたSLACマイクロレゾネータRF（SMuRF）ウォームエレクトロニクスを用いている。
• 熱的および機械的設計には、フィードホーンおよびシールドにゴールドメッキを施し、熱伝導性を向上させ、安定した100 mK動作を確保している。
• 受入基準は、測定済みの検出器パrameterを用いてBoloCALCを用いて計算された予想されるスカイ上での等価ノイズ温度（NET）および光学効率に基づいている。
• 試験は100 mKで実施されるデュアルリフリッジャーで実施され、$T_{\mathrm{c}}$、$G$、$R_{\mathrm{n}}$、$P_{\mathrm{sat}}$ などのTESパラメータの完全な特性評価が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数のスペクトル帯および望遠鏡タイプに対応しつつ、高感度を維持するためのユニバーサルフォーカルプレーンモジュールアーキテクチャは、どのように設計できるか？
• RQ2 シモンズ観測所の宇宙論的感度予測を満たすために、中周波帯TESボロメータアレイに必要な性能指標は何か？
• RQ3 冷却環境下で、65 pA/√Hz未満のノイズレベルを達成しつつ、TESボロメータの1,000倍マルチプレクシングを実現できるか？
• RQ4 測定されたTESパラメータ（例：$T_{\mathrm{c}}$、$P_{\mathrm{sat}}$、$G$）と予想されるスカイ上でのNETおよび光学効率との相関関係はどの程度か？
• RQ5 製造ばらつきをどのように低減しつつ、26台すべてのMF UFMsが必要な感度および出荷基準を満たすようにできるか？

主な発見

• 中周波帯UFMは、平均リードアウトノイズが46 pA/√Hzに達し、SOの要件である65 pA/√Hzを上回っている。
• TESボロメータの平均臨界温度（$T_{\mathrm{c}}$）は164 mKであり、一貫性のある超伝導転移挙動を示している。
• 平均飽和電力は90 GHzで2.4 pW、150 GHzで6.8 pWであり、CMB観測に適した十分なダイナミックレンジを確認した。
• 平均熱伝導度（$G$）は90 GHzで145 pW/K、150 GHzで186 pW/Kであり、最適な熱的時間定数を支持している。
• SATにおける典型的なMF UFMの予想されるスカイ上での等価ノイズ温度（NET）は3.3 μK√sであり、必要な3.4 μK√sを下回っており、マッピング速度に余裕がある。
• 測定されたTES抵抗（$R_{\mathrm{n}}$）はアレイ全体で高い均一性を示しており、一貫性のあるプロセス品質を示している。