[论文解读] The Atacama B-Mode Search: CMB Polarimetry with Transition-Edge-Sensor Bolometers

Thomas Essinger-Hileman, John W. Appel+16 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2010

Superconducting and THz Device Technology参考文献 4被引用 14

一句话总结

阿塔卡马B模式搜索（ABS）提出了一种基于地面的CMB偏振计，采用240个过渡边缘传感器（TES）热释电计，用于测量145 GHz频段的大尺度B模式偏振。该仪器采用低温交叉-德拉贡望远镜与常温半波片进行偏振调制，预计灵敏度可达300 μK√s，能够探测张量-标量比r ≈ 0.05的原初引力波。

ABSTRACT

The Atacama B-mode Search (ABS) experiment is a 145 GHz polarimeter designed to measure the B-mode polarization of the Cosmic Microwave Background (CMB) at large angular scales. The ABS instrument will ship to the Atacama Desert of Chile fully tested and ready to observe in 2010. ABS will image large-angular-scale CMB polarization anisotropies onto a focal plane of 240 feedhorn-coupled, transition-edge sensor (TES) polarimeters, using a cryogenic crossed-Dragone design. The ABS detectors, which are fabricated at NIST, use orthomode transducers to couple orthogonal polarizations of incoming radiation onto separate TES bolometers. The incoming radiation is modulated by an ambient-temperature half-wave plate in front of the vacuum window at an aperture stop. Preliminary detector characterization indicates that the ABS detectors can achieve a sensitivity of 300 $μK \sqrt{s}$ in the field. This paper describes the ABS optical design and detector readout scheme, including feedhorn design and performance, magnetic shielding, focal plane architecture, and cryogenic electronics.

研究动机与目标

• 探测宇宙微波背景（CMB）中作为宇宙暴胀引力波标志的原初B模式偏振。
• 通过常温半波片调制方案和低温光学设计最小化系统误差。
• 利用240个馈电喇叭耦合的TES偏振计阵列，实现高灵敏度（300 μK√s）。
• 在阿塔卡马沙漠部署一台已完全测试、可装集装箱运输的仪器，实现快速、高海拔观测。
• 通过多级低温冷却和4 K与300 mK下的磁屏蔽，降低热噪声和磁噪声。

提出的方法

• 采用交叉-德拉贡光学设计，60 cm反射镜冷却至4 K，以最小化热负荷并提高光束稳定性。
• 采用330 mm直径的超高分子量聚乙烯（UHMWPE）真空窗，表面涂有抗反射膜。
• 在光阑处集成一个常温蓝宝石半波片（HWP），用于调制入射偏振，抑制大气和仪器噪声。
• 部署240个馈电喇叭耦合的TES热释电计，配合正交模转换器（OMT），将正交偏振态分离至独立的TES上。
• 通过SQUID放大器和多通道电子系统（MCE）实现时域复用，高效读出信号，同时最大限度减少布线。
• 在4 K（Cryoperm）和室温（mu-metal）处采用磁屏蔽，屏蔽因子至少达到100，以抑制磁干扰。

实验结果

研究问题

• RQ1 地面TES热释电计阵列能否实现足够灵敏度，以探测大尺度上的B模式偏振？
• RQ2 常温半波片在CMB偏振测量中抑制大气和仪器系统误差的效率如何？
• RQ3 对于具有240个探测器的高透过率、低串扰偏振焦面，最优光学设计是什么？
• RQ4 探测器制造与低温读出技术在多大程度上可实现现场子300 μK√s的灵敏度？
• RQ5 多级磁屏蔽与热屏蔽能否在紧凑的地面仪器中保持TES性能？

主要发现

• ABS仪器设计在实地实现300 μK√s的灵敏度，基于暗态测试推算得出，假设光学效率为50%。
• 145 GHz频段的模拟光束显示，半高全宽（FWHM）光束尺寸为35角分，240个探测器性能一致。
• 前42个馈电喇叭的实测光束图与理论预测值相差仅几个百分点，证实了制造精度。
• 采用三角形支架、铜质散热片和柔性读出电路的焦面架构，实现了紧凑且低热负荷的信号布线。
• 低温系统包括两台脉冲管制冷机和3He/4He吸附制冷机，可维持300 mK和4 K的冷却级，分别用于探测器和镜面冷却。
• ABS的预期灵敏度在ℓ = 80–120的多极范围达到最大，可探测张量-标量比r = 0.05和r = 0.01对应的B模式功率谱。