[论文解读] 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 7

一句话总结

本文介绍了为西蒙斯天文台设计、制造并表征的中频通用焦平面模块（MF UFMs），每个模块集成1,728个过渡边缘传感器（TES）热释电计数器，工作于90 GHz和150 GHz频段。这些模块在小型天文台（SATs）中实现了3.3 μK√s的投影在轨噪声等效温度，优于所需的3.4 μK√s，证明了1,000倍多路复用的成功实现，并为宇宙微波背景辐射测量提供了高灵敏度。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的、通用焦平面模块架构，兼容西蒙斯天文台中大孔径和小孔径望远镜。
• 在90 GHz和150 GHz频段实现高灵敏度和低噪声的TES热释电计数器阵列，以满足宇宙学CMB测量需求。
• 利用微波SQUID读出技术，实现1,000倍TES热释电计数器多路复用，且噪声性能低于西蒙斯天文台要求。
• 基于投影阵列NET和光学效率建立验收标准，确保26个部署模块的性能稳定可靠。
• 实现在西蒙斯天文台四台望远镜上部署超过60,000个TES热释电计数器，并在各频段保持一致的性能表现。

提出的方法

• MF UFM集成了镀金铝制波导阵列、基于硅的探测器堆栈（含光子陷波器、背腔和双折射TES热释电计数器），以及用于微波SQUID多路复用的冷通用μ-多路复用模块。
• 探测器堆栈安装在冷多路复用器（μ-多路复用器）上，通过射频探测音调和直流磁通坡道偏置实现1,000倍TES热释电计数器多路复用。
• 系统采用SLAC微共振射频（SMuRF）温电子设备与冷读出系统接口，并测量探测器参数。
• 热力与机械设计包括在喇叭和屏蔽层上镀金，以增强热导率，并确保在100 mK下稳定运行。
• 验收标准基于投影在轨噪声等效温度（NET）和光学效率，通过BoloCALC软件使用实测探测器参数计算得出。
• 测试在100 mK的稀释制冷机中进行，对TES参数（包括$T_{\mathrm{c}}$、$G$、$R_{\mathrm{n}}$和$P_{\mathrm{sat}}$）进行全面表征。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种通用焦平面模块架构，以支持多种频段和望远镜类型，同时保持高灵敏度？
• RQ2 中频TES热释电计数器阵列需要满足哪些性能指标，才能实现西蒙斯天文台宇宙学灵敏度预测？
• RQ3 在低温环境下，能否实现1,000倍TES热释电计数器多路复用，且噪声水平低于65 pA/√Hz的要求？
• RQ4 实测TES参数（如$T_{\mathrm{c}}$、$P_{\mathrm{sat}}$、$G$）与投影在轨NET和光学效率的相关性如何？
• RQ5 在确保全部26个MF UFMs均满足灵敏度和良率目标的前提下，如何缓解制造过程中的变异？

主要发现

• 中频UFM的中位读出噪声为46 pA/√Hz，优于西蒙斯天文台65 pA/√Hz的要求。
• TES热释电计数器的中位临界温度（$T_{\mathrm{c}}$）为164 mK，表明超导转变行为一致。
• 在90 GHz时饱和功率中位值为2.4 pW，在150 GHz时为6.8 pW，证实其具备足够的动态范围以支持CMB观测。
• 在90 GHz时热导率（$G$）中位值为145 pW/K，在150 GHz时为186 pW/K，支持最优热时间常数。
• 典型MF UFM在SAT中的投影在轨噪声等效温度（NET）为3.3 μK√s，低于所需的3.4 μK√s，且具备提升观测速度的余量。
• 实测TES电阻（$R_{\mathrm{n}}$）在阵列中表现出高度均匀性，表明制造质量一致。