[論文レビュー] The APEX-SZ Instrument

Daniel Schwan, P. A. R. Ade+35 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2010

Superconducting and THz Device Technology参考文献 31被引用数 3

ひとこと要約

APEX-SZ機器は、280個の超伝導トンネル接合センサ（TES）ボロメータと周波数領域多重化読み出しを備えた冷温ミリ波受信機であり、パルスチューブ冷却機と吸着冷却機により280 mKまで冷却される。150 GHz帯で1'の分解能と22'の視野を達成し、中央値感度890 μK√s（NEy = 3.5×10⁻⁴ √s）を実現した。これにより、サンヤエフ＝ゼルドビッチ効果を用いた48個の銀河団の高感度マッピングが可能となった。

ABSTRACT

The Atacama pathfinder experiment Sunyaev-Zel'dovich (APEX-SZ) instrument is a millimeter-wave cryogenic receiver designed to observe galaxy clusters via the Sunyaev-Zel'dovich effect from the 12 m APEX telescope on the Atacama plateau in Chile. The receiver contains a focal plane of 280 superconducting transition-edge sensor (TES) bolometers instrumented with a frequency-domain multiplexed readout system. The bolometers are cooled to 280 mK via a three-stage helium sorption refrigerator and a mechanical pulse-tube cooler. Three warm mirrors, two 4 K lenses, and a horn array couple the TES bolometers to the telescope. APEX-SZ observes in a single frequency band at 150 GHz with 1' angular resolution and a 22' field-of-view, all well suited for cluster mapping. The APEX-SZ receiver has played a key role in the introduction of several new technologies including TES bolometers, the frequency-domain multiplexed readout, and the use of a pulse-tube cooler with bolometers. As a result of these new technologies, the instrument has a higher instantaneous sensitivity and covers a larger field-of-view than earlier generations of Sunyaev-Zel'dovich instruments. The TES bolometers have a median sensitivity of 890 uKcmb-sqrt(s) (NEy of 3.5e-4 sqrt(s)). We have also demonstrated upgraded detectors with improved sensitivity of 530 uKcmb-sqrt(s) (NEy of 2.2e-4 sqrt(s)). Since its commissioning in April 2007, APEX-SZ has been used to map 48 clusters. We describe the design of the receiver and its performance when installed on the APEX telescope.

研究の動機と目的

• 銀河団のサンヤエフ＝ゼルドビッチ効果を検出するための高感度ミリ波受信機の開発。
• 効率的な信号読み出しを実現するため、先進的なTESボロメータと周波数領域多重化読み出しの統合。
• パルスチューブ冷却機とヘリウム吸着冷却機を組み合わせたハイブリッド冷却システムを採用し、280 mKでの動作を実現。
• 従来の機器よりも優れた感度を実現する、広視野かつ高分解能の銀河団マッピングの実現。
• 地上望遠鏡環境において、新技術の実用可能性と性能を実証すること。

提案手法

• 本機器は、機械的パルスチューブ冷却機とヘリウム吸着冷却機を組み合わせた3段階冷却システムにより、280 mKまで冷却される280個の超伝導トンネル接合センサ（TES）ボロメータを検出器として使用する。
• すべての280個のボロメータを同時に読み出すために周波数領域多重化読み出しシステムを採用し、読み出しライン数を最小限に抑え、スケーラブルな多重化を実現する。
• 3枚の温められたミラー、2個の4 Kレンズ、およびホーンアレイを含む光学部品により、望遠鏡のビームをTESボロメータの焦点面に効率的に結合する。
• 受信機は150 GHz中心の単一周波数帯域で動作し、1'の全波幅半最大（FWHM）ビームと22'の視野を有し、銀河団マッピングに最適化されている。
• 本システムはチリのアタカマ高原に位置する12 m APEX望遠鏡に搭載されており、安定した高高度観測環境を提供する。
• ノイズ等価電力（NEP）を用いて検出器性能を評価し、感度はμK√s（NEy）単位で報告される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周波数領域多重化を用いた冷温TESボロメータアレイは、サンヤエフ＝ゼルドビッチ効果観測に高感度かつ広視野を実現できるか？
• RQ2 パルスチューブ冷却機と吸着冷却機を組み合わせたハイブリッド冷却システムは、TESボロメータを280 mKで安定して維持できるか？
• RQ3 APEX-SZ機器の感度は、以前の世代のSZ機器と比較して、即時の感度と視野においてどのように異なるか？
• RQ4 設計の最適化によって、NEyおよびNEPで測定される検出器感度はどの程度向上できるか？
• RQ5 本機器は、単一周波数帯域で高角分解能かつ高感度を実現し、銀河団を信頼性高くマッピングできるか？

主な発見

• APEX-SZ機器は中央値ボロメータ感度890 μK√s（NEy = 3.5×10⁻⁴ √s）を達成し、以前のSZ機器と比較して即時の感度が顕著に向上した。
• 改良された検出器は感度530 μK√s（NEy = 2.2×10⁻⁴ √s）を示し、検出器最適化によるさらなる性能向上の可能性を示した。
• 本機器は150 GHz帯で1'の角分解能と22'の視野を達成し、銀河団の効率的かつ詳細なマッピングを可能にした。
• パルスチューブ冷却機とTESボロメータの組み合わせが成功裏に実証され、280 mKでの安定的かつ低ノイズ動作が実現した。
• 周波数領域多重化読み出しシステムにより、最小限のチャンネル数で280個のボロメータを効率的に読み出し、スケーラビリティを支持した。
• 2007年4月の導入以降、APEX-SZは48個の銀河団を効果的にマッピングし、実宇宙の天体観測において設計および性能の妥当性を検証した。