[论文解读] 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 3

一句话总结

APEX-SZ 仪器是一种低温毫米波接收器，采用 280 个超导过渡边缘传感器（TES）热释电计测器，通过脉冲管和吸附制冷机将温度冷却至 280 mK，实现 150 GHz 观测，角分辨率为 1′，视场为 22′，中位灵敏度达 890 μK√s（NEy = 3.5×10⁻⁴ √s），可实现对 48 个星系团通过太阳-泽尔多维奇效应进行高灵敏度测绘。

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.

研究动机与目标

• 开发一种高灵敏度毫米波接收器，用于通过太阳-泽尔多维奇效应探测星系团。
• 将先进的 TES 热释电计测器与频域复用读出技术集成，实现高效信号读出。
• 采用脉冲管冷却机与氦吸附制冷机相结合的混合冷却系统，实现 280 mK 运行。
• 实现对星系团的宽场、高分辨率测绘，灵敏度优于以往仪器。
• 在地基望远镜环境中验证新技术的可行性与性能。

提出的方法

• 该仪器使用 280 个超导过渡边缘传感器（TES）热释电计测器作为探测器，通过三阶段冷却系统（结合机械式脉冲管冷却机与氦吸附制冷机）冷却至 280 mK。
• 采用频域复用读出系统，可同时读出全部 280 个热释电计测器，最大限度减少读出通道数量，支持可扩展的复用技术。
• 光学组件包括三个常温反射镜、两个 4 K 镜头和一个喇叭阵列，可高效将望远镜光束耦合至 TES 热释电计测器的焦平面上。
• 接收机工作于中心频率为 150 GHz 的单一频段，光束半高全宽为 1′，视场为 22′，专为星系团测绘优化。
• 系统安装于智利阿塔卡马高原的 12 米 APEX 望远镜上，提供稳定、高海拔的观测条件。
• 通过噪声等效功率（NEP）表征探测器性能，灵敏度以 μK√s（NEy）为单位报告。

实验结果

研究问题

• RQ1 采用频域复用的低温 TES 热释电计测器阵列是否能实现对太阳-泽尔多维奇效应观测的高灵敏度与宽视场覆盖？
• RQ2 结合脉冲管冷却机与吸附制冷机的混合冷却系统在维持 TES 热释电计测器在 280 mK 下稳定运行方面的性能如何？
• RQ3 与前代 SZ 仪器相比，APEX-SZ 仪器在瞬时灵敏度和视场方面表现如何？
• RQ4 通过探测器设计升级，灵敏度可提升多少？以 NEy 和 NEP 衡量的改进程度如何？
• RQ5 该仪器是否能可靠地在单频段下实现高角分辨率与高灵敏度的星系团测绘？

主要发现

• APEX-SZ 仪器实现了中位热释电计测器灵敏度 890 μK√s（NEy = 3.5×10⁻⁴ √s），相比早期 SZ 仪器显著提升了瞬时灵敏度。
• 升级后的探测器灵敏度进一步提升至 530 μK√s（NEy = 2.2×10⁻⁴ √s），表明通过探测器优化可实现进一步性能提升。
• 仪器在 150 GHz 下实现了 1′ 的角分辨率和 22′ 的视场，可高效且详细地测绘星系团。
• 成功验证了脉冲管冷却机与 TES 热释电计测器的结合，实现了在 280 mK 下稳定、低噪声运行。
• 频域复用读出系统实现了对 280 个热释电计测器的高效读出，通道数量极少，支持系统可扩展性。
• 自 2007 年 4 月投入运行以来，APEX-SZ 已成功测绘了 48 个星系团，验证了其在真实天体物理观测中的设计与性能。