[論文レビュー] The BINGO Project III: Optical design and optimisation of the focal plane

F. B. Abdalla, Alessandro Marins+27 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2021

Radio Astronomy Observations and Technology被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、BINGO望遠鏡の焦点面における最適化された光学設計を提示する。二重長方形ホーンアレイを交差ドラゴネ構成に配置することで、均一でナイキストサンプリングされた天の川カバーを実現する。設計は偏光純度-30 dB、最小限の sidelobe、視野全域にわたるビーム安定性を達成し、21-cm強度マッピングからのバリオンアコースティックオシレーションの高精度測定を可能にする。

ABSTRACT

The BINGO telescope was designed to measure the fluctuations of the 21-cm radiation arising from the hyperfine transition of neutral hydrogen and aims to measure the Baryon Acoustic Oscillations (BAO) from such fluctuations, therefore serving as a pathfinder to future deeper intensity mapping surveys. The requirements for the Phase 1 of the projects consider a large reflector system (two 40 m-class dishes in a crossed-Dragone configuration), illuminating a focal plane with 28 horns to measure the sky with two circular polarisations in a drift scan mode to produce measurements of the radiation in intensity as well as the circular polarisation. In this paper we present the optical design for the instrument. We describe the intensity and polarisation properties of the beams and the optical arrangement of the horns in the focal plane to produce a homogeneous and well-sampled map after the end of Phase 1. Our analysis provides an optimal model for the location of the horns in the focal plane, producing a homogeneous and Nyquist sampled map after the nominal survey time. We arrive at an optimal configuration for the optical system, including the focal plane positioning and the beam behavior of the instrument. We present an estimate of the expected side lobes both for intensity and polarisation, as well as the effect of band averaging on the final side lobes. The cross polarisation leakage values for the final configuration allow us to conclude that the optical arrangement meets the requirements of the project. We conclude that the chosen optical design meets the requirements for the project in terms of polarisation purity, area coverage as well as homogeneity of coverage so that BINGO can perform a successful BAO experiment. We further conclude that the requirements on the placement and r.m.s. error on the mirrors are also achievable so that a successful experiment can be conducted.(Abridged)

研究の動機と目的

• ドリフトスキャン中に均一でナイキストサンプリングされた天の川カバーを保証する、BINGO望遠鏡の最適な焦点面配置を設計すること。
• ビームの sidelobe とクロス偏光漏れを最小限に抑えて、正確な強度および偏光信号測定を可能にすること。
• 特にVストokesパラメータにおいて、焦点面全域で-30 dB以上の偏光純度を確保し、BAO検出の科学的要件を満たすこと。
• 非平面な焦点面を考慮し、ホーンの配置と向きを最適化して、視野全域にわたるビーム性能を維持すること。
• 機械的公差（焦点深度約10 cm）を想定し、運用条件下での安定性を保証するための光学設計の妥当性を検証すること。

提案手法

• 焦点面配置のモデリングとビームパターンのシミュレーション（2面鏡による diffraction 効果を含む）にGRASPソフトウェアパッケージを用いた。
• ニューラルネットワークと直接最適化技術を用いた多目的最適化により、最適なホーン位置と向きを特定した。
• 特にストークスパラメータU、V、Qについて、視野全域におけるビーム応答、sidelobeレベル、クロス偏光漏れを分析した。
• 焦点面の縁における光学的収差とビーム劣化を調査し、最大で0.5 dBの減衰と最小限のビーム歪みを確認した。
• 最終的なsidelobeレベルに及ぼすバンド幅平均化の影響を評価し、980–1260 MHz観測帯域全域でビーム性能が安定していることを確認した。
• 焦点深度のおおよそ10 cmを推定し、0.005 dBの焦点許容誤差を維持するための機械的・熱的安定性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BINGO望遠鏡のドリフトスキャン調査において、最も均一でギャップのない天の川カバーとナイキストサンプリングを実現する焦点面におけるホーン配置は何か？
• RQ2 ビームの sidelobe とクロス偏光漏れは視野全域でどのように変化し、科学的要件を満たすために最小化可能か？
• RQ3 交差ドラゴネ構成の非平面な焦点面を考慮した場合、最適な焦点面形状とホーン配置戦略は何か？
• RQ4 光学的収差は、特に視野の縁部でメインビームおよび sidelobe 構造をどの程度劣化させるか？
• RQ5 Vストークスパラメータにおいても、必要な偏光純度-30 dBが焦点面全域で達成可能か？

主な発見

• 二重長方形ホーン構成が最適なレイアウトとして特定され、規定の調査時間後に均一でギャップのない天の川カバーとナイキストサンプリングを実現した。
• 設計は焦点面の大部分で-30 dBの偏光純度を達成しており、唯一限界に近い領域はδ = -25°付近で、V偏光が-25 dBiに達する。
• sidelobeレベルは許容範囲内で低く保たれ、ビーム歪みはメインビームピークから数度の範囲に限定され、メインビーム減衰に顕著な劣化は認められなかった。
• 0.005 dBの焦点許容誤差を維持するための焦点深度は約10 cmであり、これは機械的公差と検出システムのノイズ予算に適合している。
• 0.1の楕円度要件が、すべてのテスト位置で満たされており、偏光測定における光学設計の頑健性を裏付けた。
• 980–1260 MHz帯域全域でビーム性能は安定しており、バンド幅平均化が最終的なsidelobeレベルに顕著な影響を及ぼさないことが確認された。