[论文解读] The Simons Observatory: Cryogenic Half Wave Plate Rotation Mechanism for the Small Aperture Telescopes

Kyohei Yamada, Bryce Bixler+25 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2023

Radio Astronomy Observations and Technology被引用 5

一句话总结

本文介绍了为西蒙斯天文台小型孔径望远镜（SATs）设计、制造及性能评估的低温连续旋转四分之一波片（CHWP）。该CHWP在50 K下运行，采用超导磁力轴承和电磁马达，以2 Hz转速调制8 Hz的宇宙微波背景（CMB）偏振，从而抑制大气1/f噪声并减少系统误差。关键成果包括亚微弧度角分辨率（0.07 μrad√s）、0.02°编码器精度以及±0.3 mm位移控制，实现了高精度B模偏振测量。

ABSTRACT

We present the requirements, design and evaluation of the cryogenic continuously rotating half-wave plate (CHWP) for the Simons Observatory (SO). SO is a cosmic microwave background (CMB) polarization experiment at Parque Astronómico Atacama in northern Chile that covers a wide range of angular scales using both small (0.42 m) and large (6 m) aperture telescopes. In particular, the small aperture telescopes (SATs) focus on large angular scales for primordial B-mode polarization. To this end, the SATs employ a CHWP to modulate the polarization of the incident light at 8 Hz, suppressing atmospheric $1/f$ noise and mitigating systematic uncertainties that would otherwise arise due to the differential response of detectors sensitive to orthogonal polarizations. The CHWP consists of a 505 mm diameter achromatic sapphire HWP and a cryogenic rotation mechanism, both of which are cooled down to $\sim$50 K to reduce detector thermal loading. Under normal operation the HWP is suspended by a superconducting magnetic bearing and rotates with a constant 2 Hz frequency, controlled by an electromagnetic synchronous motor. We find that the number of superconductors and magnets that make up the superconducting magnetic bearing are important design parameters, especially for the rotation mechanism's vibration performance. The rotation angle is detected through an angular encoder with a noise level of 0.07 $μ$rad$\sqrt{\mathrm{s}}$. During a cooldown, the rotor is held in place by a grip-and-release mechanism that serves as both an alignment device and a thermal path. In this paper we provide an overview of the SO SAT CHWP: its requirements, hardware design, and laboratory performance.

研究动机与目标

• 通过抑制大气1/f噪声和探测器系统误差，实现对宇宙微波背景（CMB）原初B模偏振的高精度测量。
• 开发一种可在西蒙斯天文台小型孔径望远镜（SATs）严苛环境中可靠运行于50 K的低温连续旋转四分之一波片（CHWP）。
• 实现稳定、高精度的旋转控制，振动最小化，并具备精确的角编码，以实现8 Hz的偏振调制。
• 通过超导磁力轴承和一种抓取-释放机构实现机械稳定性与热隔离，以实现转子对准与热管理。

提出的方法

• CHWP采用直径505 mm的非色散蓝宝石四分之一波片，安装于由超导磁力轴承悬挂的转子上。
• 旋转由工作于2 Hz的电磁同步马达驱动，通过IRIG-B参考信号实现同步。
• 采用双光学编码器测量角位置，编码器具有1140个槽，实现0.07 μrad√s的噪声水平，并通过相对槽对之间的时延检测偏心位移。
• 抓取-释放机构在冷却过程中固定转子，位移通过霍尔探头监测，并在标定中考虑机械游隙。
• 通过将系统冷却至约50 K，维持热隔离，最大限度减少对探测器的热负载。
• 通过精心选择组件、使用非磁性材料以及采用螺纹锁固剂和环氧树脂牢固固定，最小化振动和机械干扰。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在50 K低温下实现低温连续旋转四分之一波片的稳定、低噪声旋转，以支持CMB偏振测量？
• RQ2 哪些机械与热设计策略可确保在低温环境中可靠运行并最小化热负载？
• RQ3 如何精确测量转子的角位置与位移，以实现精确的偏振调制？
• RQ4 在冷却过程中，采用何种方法可实现转子的对准与释放，而不会引起机械干扰？
• RQ5 诸如电气保护和材料选择等系统级预防措施，如何有效防止运行故障？

主要发现

• 角编码器实现0.07 μrad√s的噪声水平，支持高精度角位置测量。
• 转子轴向位移的系统误差为±0.3 mm，主要源于霍尔探头灵敏度漂移和磁质变化。
• 垂直于编码器线的偏心位移测量精度为0.02°，对应于334 mm半径处约0.06 mm的位移分辨率。
• CHWP在2 Hz下实现稳定旋转，振动极小，经性能测试和运行稳定性验证。
• 抓取-释放机构在冷却过程中成功固定转子，并实现无机械干扰的受控释放。
• 系统保持良好的热隔离与运行稳定性，测试中未观察到任何物理干扰，归功于非磁性材料和牢固的固定方式。