2017年射电天文(超导)仪器进展

  • 编辑供稿:舒诗博 IRAM / 李正伟 高能所

题目加了“超导”主要是跟低频(~50 GHz以下)仪器做区分,这样下来大概只剩下SIS (Superconductor-Insulator-Superconductor),HEB (Hot-Electron Bolometer),TES (Transition Edge Sensor)和KID (Kinetic Inductance Detector)四种主流技术,当然本文也会介绍其他新技术的进展。

若有遗漏或错误欢迎提醒补充指正。

SIS

去年我没参加ISSTT会议,可能错过了一些信息,而且我对SIS不算特别了解,就简单的介绍一下几个大项目的进展。

严格来说这段跟SIS没关系,不过还是简单说一下。ALMA的band 3-10 是基于SIS的,而且都已经正常工作了,band 1&2 是用低温放大器直接放大的,band 1正在台湾生产,band 2还没生产计划。随着低噪声放大器技术的发展,band 3的sis结已经有被取代的趋势,现在大家都在想把band 2&3合并在一起,变成band 2+3 (67-116 GHz)。

SMA在准备升级到wSMA (wideband SMA),将中频带宽从8 GHz升级到12 GHz。

NOEMA在开辟了新的频段71-80 GHz后迎来了第9台望远镜,并且第10台正在建造,也从马普学会拿到了建设第11台的经费,只等着法国科学院出最后的第12台的经费了。按照现在的速度,2022年NOEMA就能集齐12台望远镜了并正式完成了。NOEMA还有一件大事就是安装了新的correlator PolyFix,使得未来12台望远镜2个极化方向乘以2个边带乘以边带带宽7.7 GHz的同时观测得以实现。如图:

NOEMA 12天线(想象图) Credit:IRAM
HEB

去年最大的进展大概是Delft的Teun Klapwijk发的一篇题为Engineering Physics of Superconducting Hot-Electron Bolometer Mixers的综述,这篇主要讨论关于HEB的器件物理我们知道的和不知道的。紫台张文老师的工作在文中也有涉及。

作为目前(可能)唯一在观测的HEB仪器,SOFIA上的GREAT迎来了大更新。现在的仪器分为upGREAT和4GREAT两部分,upGREAT有两个极化7个像素,低频在 1.8-2.0 THz,高频在 4.7 THz的[OI]单频率点,4GREAT包含0.49-2.59 THz内的4个频段,四个频段(像素)有差不多一样的指向,所以可以同时观测。同时upGREAT里的高频或者低频都可以和4GREAT同时观测的,这算是目前提高望远镜效率进行多频段观测的一个主要方法。

NASA批准了SRON的GUSTO项目作为2021年发射的气球项目,搭载1.4,1.9和4.7THz一共16个像素,飞行时长100天,主要观测[OI]和[CII]谱线。

TES (by 李正伟)

各个CMB项目都在更新新的阵列,观测频率都开始往低频移,来更好的估计前景辐射。

2014年3月17日,南极CMB实验BICEP合作组在美国哈佛-史密松天体物理中心召开了一场发布会,公布了一个“重大发现”,公布了宇宙微波背景辐射中的B模测量结果,宣称测量到了原初引力波引起了巨大的震动。进一步分析发现观测的结果与银河系前景模型相符,不是原初引力波的贡献,重新给出张标比的上限。虽然闹了一个乌龙,却引发了原初引力波观测的白热化竞争。BICEP合作组直接将科学目标定位为原初引力波的观测,因而选用了小口径的双折射透镜,并采用灵敏的TES作为焦平面探测器直接开始了原初引力波的寻找,因而最快的得到了B模的最精确测量结果。BICEP2直接选择了150GHz的观测频段,对应这个频段前景最小,同时相应的大气水汽的影响也较小,TES的等效噪声功率达到了56aW/Sqrt(Hz)的水平,单个焦平面探测器的像素数达到了8×8的水平,在焦平面上安装了4个模块,总共的探测器数目达到了512个,采用了Ti单层膜TES进行观察,单层Al TES进行标定。

与BICEP同在South Pole的Keck Array实验也采用了TES作为焦平面探测器,采用5个镜筒安装在一起组成了一个阵列,每个镜筒的TES探测器数目与BICEP2的一致。2012年开始观测时5个镜筒全部为150GHz的观测频段,2014年将其中的2个镜筒更换为95GHz,并在2015年时进一步将其中的两个150GHz镜筒更换为了230GHz ,实现了95GHz,150GHz以及230GHz的多频段观测。BICEP2以及Keck Array均采用了平面槽天线阵列,带宽有限,因而单个探测器阵列只观测一个频段,通过放置多个光学镜筒的方式实现多频段的观测。为了提升竞争力,BICEP合作在2015年开始将BICEP 2升级到了BICEP3,将口径有之前的26cm扩大到了52cm,口径的增加意味着焦平面上可以放置更多的探测器。BICEP合作组在BICEP3的镜筒里安装了20个探测器模块,直接将TES的探测器数目提升到了2560个探测器。与此同时,BICEP合作组计划将Keck Array升级至BICEP Array,并将TES的总探测器数目提升到30000个,频段覆盖35GHz、95GHz、150GHz、220GHz以及270GHz共5个频段。在BICEP实验旁边的10米口径的SPT目前也升级到了SPT-3G,TES探测器数目达到了16400,频段覆盖了95GHz,150GH,220GHz,从而实现了CMB-S3的目标,即将探测器的数目提升到10000像素的水平。

目前处于CMB-S3水平的另一个实验是位于智利的POLARBEAR-2,是早期POLARBEAR的升级版,采用了Al/Mn合金TES,将探测器的数目提升到了7588个,覆盖频段为95GHz/150GHz。ACTPol目前也在升级过程中,要升级为AdvACTPol,主要升级是将之前的97GHz/148GHz升级为28GHz,41GHz,90GHz,150GHz以及230GHz,并将之前的4尺wafer的工艺升级为了6寸的工艺,提升了探测器的集成度以及成品率。现目前在智利最让人期待的项目应该是Polarbear项目,将进一步升级为Simons Array,将由三台POLARBEAR望远镜组成,覆盖90GHz,150GHz,220GHz,280GHz,探测器数目也将达到22764个。

LiteBIRD项目最近一段时间在准备拉欧洲加入合作,各项准备工作也在继续,只是发射日期推迟到了2027。

CMB目前已经基本完成了CMB-S3的探测器计划,目前谋划的还是从2020开始的CMB-S4的5年规划,希望到2025左右可以将现在10000个探测器的模块提升到500000的水平。目前需要解决的主要问题还在于TES阵列的复用读出技术。对于BICEP系列以及ACTPol实验采用了时分复用(TDM)的读出方式,对于POLARBEAR则采用了频分复用的方式,这两种目前可以期待的最大复用比在100:1左右,想实现更多的复用读出比技术难度太大,因而很慢满足CMB-IV的500000探测器阵列的读出。因而现在TES大规模阵列复用读出的热点转到了用谐振器来读出SQUID上,读出原理与KID的方式相似,室温读出电子学也基本一样,目前微波复用SQUID技术已经实现了128:1的复用比,而对于将来可以期待的复用比将达到4000:1的水平,从而解决500000像素的读出难题。另一种实现1000000像素的TES阵列的复用读出技术则是码分复用(CDM)、微波复用SQUID以及时分复用SQUID(TDM)的三种的复合读出。

CMB探测的一个遗产就是MUSTANG-2,在GBT上研究SZ效应及cluster的一个重要仪器。这个仪器有意思的一点是,由于波长90GHz较长以及horn的存在,它的223个探测器都是每个单独放置的,大概是唯一一个(探测器数目超过20的)实现yield百分之百的仪器。别看其他仪器有成千上万个像素,最多工作的也就不到80%(可能更低)。

KID

KID这几年的发展越来越快,在2017年的Low Temperature Detector会上,KID已经快占到三分之一的题目了,其中mm/submm占主流。

作为之前成功进行科学观测的NIKA项目的升级版,NIKA2在2017年完成了非极化部分的试运行(两年10个run),开始作为常驻仪器在IRAM 30m上进行观测。同时,260GHz频段的极化部分也开始试运行。150GHz频段达到交付要求,但是260GHz频段的一个极化方向的探测器阵列噪声超出很多,使得260GHz频段的灵敏度没有达到预期。这个困扰项目很久的问题已经找到原因,问题就出在光路上的极化器上,所以NIKA2现在正常观测的同时就等着更换极化器了。作为第一个基于KID的常驻仪器,NIKA2可以说是相当成功了。

SRON的AMKID项目终于迎来一些进展,问题也出现在光路上(已解决),此外,在用一层低温超导材料解决了硅镜片子上的漏光问题后,大概离APEX望远镜也不远了。更重要的是SRON在2017年已经偷偷搭好了光学KID的测试平台,在UCSB一家独大的光学近红外KID领域,以后会更精彩。SRON的野心不小,他们直接将能量分辨率的目标定在R~100,要知道目前UCSB的阵列最好的R也只有5@700nm (UCSB的目标是10@1um)。

DESHIMA项目是Delft的Akira Endo主导的一个基于KID的片上频谱仪项目,300-900GHz之间大概放~40个探测器,频谱分辨率为R~500(1GHz)。名字来源于江户闭关锁国时期日本唯一和西方(荷兰)的通商地–长崎的出岛(DEJIMA)。Akira在日本完成博士后,在Delft工作,项目名称也来源于个人经历吧。DESHIMA项目距离2012年第一篇该项目的论文发表已经5年了,终于在今年,DESHIMA的第一个像素在ASTE上开光了,至于结果,等着咯。(就是真的很难做的一个项目)

(误入一个光学近红外的)UCSB的DARKNESS项目是为Palomar 200″准备的一个1万像素的频谱仪,主要是用KID的快速响应来去除日冕仪之后大气抖动产生的波纹增加对比度来探测系外行星,还有KID本身的能量分辨率作为频谱仪。2016年DARKNESS完成了Palomar上的开光,2017年整个项目在Palomar上进行观测测试,至于结果,等着吧。

Large Millimeter Telescope (LMT)一台我去年才第一次听说的50米口径毫米波望远镜,也太没存在感了。(因为我在给NIKA2做高分辨率KID,突然有一天听见一个组作报告时候说分辨率要做的比NIKA2还高,我当时想这望远镜不存在吧。)2017年LMT涌现出两个KID的项目,听说是因为LMT换了director,在望远镜建完10年后想好好用了。第一个是英国Cardiff的MUSCAT,1800像素4‘FOV,预计2018年夏季安装。第二个是UMass和ASU牵头还有NIST等加入的TolTEC,2.1,1.4和1.1mm三频段4‘FOV,分辨率会达到5″@1.1mm。两个项目,MUSCAT在前,TolTEC在后,留给MUSCAT在望远镜上的时间其实只有1年多,时间相当短,不过LMT大概也没有观测要做,直接把时间都用来试运行也挺多的。鉴于这是和30m的NIKA2直接竞争的项目,我在这里默默祝好,比心。

BLAST-TNG是BLASTpol之后的一个KID气球项目,频段0.25,0.35,0.5mm,探测器也是NIST做的,跟TolTEC一样结构。这个项目本来预计2017年发射的,然而发生了不知道什么原因的仪器内爆(inplosive),使得项目推迟到2018了,拭目以待。

2017年印象最深刻的KID进展,大概是西南交大和NIST合作的KID谐振频率的修正工作。问题的起因是这样的,KID的读出是频域相乘,也就是每个探测器的谐振频率是不一样的,但是加工后的探测器由于种种原因与设计上的谐振频率有偏离,这个偏离会造成谐振频率的重叠,使探测器的读出变得很困难。举个例子,NIKA2大概有80%左右的探测器能工作,但是由于谐振频率太近或者重叠,最后观测中能实际用的探测器数量只有60%左右,相当一部分探测器因为谐振频率的偏离而不能使用。通过找到KID在阵列中和读出频率的对应关系,来确定阵列上每个KID与设计频率的偏离量,然后通过修剪梳状电极电容的来改变电容,最后谐振频率的修正通过电容的变化来实现。很重要又漂亮的工作!如图:

Fig. 修剪前和修剪后的KID读出频域响应 [ref:KID谐振频率的修正]
其他

Origin Space Telescope (OST)是最近NASA在推的大型4K中远红外卫星项目,4K指的是最后的反射镜制冷到4K。从1THz到中红外的频段大气几乎是不透明的,Herschel之后一直没什么进展,SPICA也停滞了,OST可以说被寄予厚望。然而这个频段确实是难,探测器大概率还是TES,KID或者HEB,持币观望吧,不过可以预见,未来几个气球项目会是重点关注的对象。

Quantum Capacitor Detector (QCD)在2017年成功见光,完成了1.5THz的单光子探测,QCD算是最新的探测器了,优点是噪声超(最)低轻松满足空间项目需求,缺点是结构复杂。

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