[论文解读] Prototype finline-coupled TES bolometers for CLOVER

Michael D. Audley, R. W. Barker+18 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2006

Superconducting and THz Device Technology参考文献 11被引用 3

一句话总结

本文介绍了为CℓOVER实验设计、制造及初步测试的鳍线耦合超导转变边缘传感器（TES）热释电计，旨在探测宇宙微波背景中的原初B模式偏振。探测器采用单芯片TES，通过鳍线耦合至分块波导，结合时分复用SQUID多路复用技术；在230 mK下的原型性能验证了高质量TES薄膜及硅基鳍线过渡的成功实现，但热设计仍需改进以满足全功率处理需求。

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.

研究动机与目标

• 为CℓOVER实验开发一种可扩展、高灵敏度的探测器系统，以测量宇宙微波背景中的B模式偏振。
• 通过采用单个探测器芯片与鳍线耦合，而非大型单片阵列，解决将TES热释电计集成至馈电喇叭焦平面的挑战。
• 通过在单芯片上制造每个探测器，确保100%的运行良率，从而可筛选出高性能器件。
• 在100 mK和230 mK下分别针对不同频段进行全系统部署前，利用230 mK下的原型验证偏振计技术与探测器设计。

提出的方法

• 每个探测器均以单芯片TES形式制造，配备悬空氮化物膜，通过鳍线波导实现高效亚毫米波信号传输。
• 鳍线过渡结构集成于硅基板上，并连接至由上下两块铜探测器块构成的分块波导。
• 探测器模块为模块化设计，每块容纳16或20个探测器，配备独立的铜芯片支架，以实现热与机械应力的隔离。
• 通过铝丝键合将探测器芯片与具有金镀层、锡焊连接的超导PCB相连，实现低热导率与磁屏蔽。
• 读出采用时分复用SQUID多路复用技术，SQUID串联阵列进一步放大信号，以最小化读出噪声。
• 磁屏蔽通过铌箔与Metglas 2705M实现，同时在低温恒温器中增加高磁导率屏蔽层，以保护SQUID免受磁通噪声影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 鳍线耦合的TES热释电计是否可在230 mK下成功制造并运行，以验证CℓOVER探测器与偏振计设计的可行性？
• RQ2 单芯片探测器架构是否能确保高良率与高性能，同时避免在喇叭馈电焦平面上使用大型单片阵列所导致的效率低下？
• RQ3 在硅基板上是否能可靠实现鳍线过渡，以实现亚毫米波探测，且无模式泄漏或耦合损耗？
• RQ4 采用未充分利用的1×32 SQUID多路复用芯片的模块化探测器模块设计，如何影响噪声性能与成本效率？
• RQ5 探测器芯片在真实天空功率加载下的热性能如何？能否在75%占空比运行下避免饱和？

主要发现

• 原型TES薄膜表现出高质量特性，表现为低噪声与稳定运行，表明其灵敏度满足CℓOVER的NEP要求。
• 首次在硅基板上成功演示了鳍线过渡，证实了该耦合方法的可行性。
• 采用独立芯片支架的探测器模块设计实现了可靠的热与机械解耦，降低了应力导致的失效风险。
• 利用未充分利用的1×32 SQUID多路复用芯片，可实现优化偏置与降低混叠读出噪声，从而改善整体NEP。
• 模块化探测器模块布局可使用相同组件均匀覆盖六边形喇叭阵列，降低制造成本与系统复杂度。
• 热设计仍需进一步优化，以满足在97–220 GHz频段下6.7–18.8 pW的功率处理需求，尤其针对220-GHz频段。