Corso di Radioastronomia 1 - Aniello (Daniele) Mennella Dipartimento di Fisica - cosmo
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Corso di Radioastronomia 1
Aniello (Daniele) Mennella
Dipartimento di Fisica
Quarta parte: ricevitori incoerenti
Parte 4, Lezione 1
Ricevitori incoerenti
Aniello Mennella Corso di Radioastronomia I A.A. 2018-2019
I bolometri I ricevitori bolometrici, comunemente detti bolometri, sono dispositivi sensibili alla radiazione elettromagnetica incidente e in grado di fornire direttamente una risposta elettrica dipendente dalla potenza in ingresso Il termine “bolometrico” (dal greco bolometron ovvero misuratore di oggetti lanciati) si riferisce alla capacità di rilevare la radiazione su un ampio range spettrale. Per questo motivo la selezione della banda di misura viene effettuata a monte del bolometro mediante opportuni filtri Il bolometri vengono accoppiati alla radiazione proveniente dal cielo mediante antenne, lisce o corrugate oppure lenti dielettriche Storicamente questi rivelatori sono stati impiegati per misure a frequenze maggiori di 100 GHz, dove la tecnologia coerente mostra i suoi limiti in termini di stabilità e dove, al contrario, i problemi tecnologici da affrontare nello sviluppo di rivelatori bolometrici sono inferiori Aniello Mennella Corso di Radioastronomia I A.A. 2018-2019
Accoppiamento con bolometri – alcuni esempi
Planck High Frequency Instrument
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Accoppiamento con bolometri – alcuni esempi
BICEP2- BICEP3 (Telescopi per misura della polarizzazione del fondo cosmico –
Polo Sud)
BICEP3
BICEP2
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Accoppiamento con bolometri – alcuni esempi
Polarbear (Telescopo per misura della polarizzazione del fondo cosmico –
Atacama, Cile)
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Accoppiamento con bolometri – alcuni esempi
Polarbear (Telescopo per misura della polarizzazione del fondo cosmico –
Atacama, Cile)
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Accoppiamento con bolometri – alcuni esempi
Polarbear (Telescopo per misura della polarizzazione del fondo cosmico –
Atacama, Cile)
Lentine dielettriche accoppiate con i
rivelatori per aumentare la direttività
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Il principio di funzionamento di
un bolometro
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Il principio di funzionamento Lo schema di un rivelatore bolometrico è rappresentato in figura. Il ricevitore è costituito da materiale che assorbe la radiazione (tipicamente una griglia metallica) caratterizzato da capacità termica C. Questo materiale è connesso termicamente a un “pozzo” termico a temperatura costante Ts mediante un link caratterizzato da conducibilità termica G Aniello Mennella Corso di Radioastronomia I A.A. 2018-2019
Il principio di funzionamento Il rivelatore è anche collegato elettricamente a un circuito di lettura alimentato a corrente costante, Ib e caratterizzato da resistenza R. Quando la radiazione incide sul rivelatore la sua temperatura aumenta, e questo aumento di temperatura causa una variazione nella resistenza del circuito di lettura che modifica la tensione che viene letta a valle del circuito. Aniello Mennella Corso di Radioastronomia I A.A. 2018-2019
L’accoppiamento termico del bolometro Aniello Mennella Corso di Radioastronomia I A.A. 2018-2019
La risposta a un segnale variabile nel tempo Aniello Mennella Corso di Radioastronomia I A.A. 2018-2019
La risposta a un segnale variabile nel tempo Aniello Mennella Corso di Radioastronomia I A.A. 2018-2019
Le proprietà di rumore di un bolometro Vi sono diverse sorgenti di rumore in un bolometro che ne riducono la sensibilità: (i) il rumore Johnson presente nel sensore, (ii) rumore generato da fluttuazioni termiche (rumore fononico), (iii) rumore generato dalle fluttuazioni casuali nel tasso di assorbimento dei fotoni da parte dell’assorbitore (rumore fotonico), (iv) rumore causato dal circuito di lettura L’utilizzo di sistemi criogenici per raffreddare i bolometri a temperature di qualche decimo di K ha fatto sì che i bolometri siano dominati dal rumore fotonico che, di fatto, è ineliminabile. Per caratterizzare il rumore di un bolometro si utilizza il parametro denominato NEP (Noise Equivalent Power) definito come la potenza necessaria a generare un segnale pari a quello generato dal rumore (r.m.s.) Aniello Mennella Corso di Radioastronomia I A.A. 2018-2019
Le proprietà di rumore di un bolometro
Vi sono diverse sorgenti di rumore in un bolometro che ne
riducono la sensibilità: (i) il rumore Johnson presente nel
sensore, (ii) rumore generato da fluttuazioni termiche (rumore
fononico),Si(iii)
può dimostrare
rumore che il dalle
generato NEP relativo al rumore
fluttuazioni casuali nel tasso
fotonico indei
di assorbimento unafotoni
bandadaΔνparte
di una sorgente di corpo
dell’assorbitore (rumore
nero alla temperatura T è dato da
fotonico), (iv) rumore causato dal circuito di lettura
L’utilizzo di sistemi criogenici per raffreddare i bolometri a
temperature di qualche decimo di K ha fatto sì che i bolometri
siano dominati dal rumore fotonico che, di fatto, è ineliminabile.
Per caratterizzare il rumore di un bolometro si utilizza il
parametro denominato NEP (Noise Equivalent Power) definito
come la potenza necessaria a generare un segnale pari a quello
generato dal rumore (r.m.s.)
Aniello Mennella Corso di Radioastronomia I A.A. 2018-2019I bolometri dello strumento
Planck High Frequency
Instrument (HFI)
Aniello Mennella Corso di Radioastronomia I A.A. 2018-2019I bolometri spider-web e PSB (polarization sensitive) Lo strumento HFI è composto da una schiera di 52 bolometri in cinque bande di frequenza, centrate a 100, 143, 217, 353, 545 e 857 GHz Sono stati impiegati due diverse tipologie di bolometri: spider- web, per i canali non sensibili alla polarizzazione (545 GHz e 857 GHz), e PSB (Polarization Sensitive Bolometers) per i restanti canali. Ogni bolometro è costituito da un substrato di nitruro di silicio (SI3N4) sul quale è stato depositata una sottile griglia metallica (oro) Aniello Mennella Corso di Radioastronomia I A.A. 2018-2019
I bolometri spider-web
I bolometri spider-web sono
stati progettati per essere
sensibili all’intensità totale
mantenendo una bassa
reattività ai raggi cosmici.
I raggi cosmici (particelle ad
alta energia) costituiscono
uno dei problemi principali
dei rivelatori bolometrici,
causando segnali spuri che
devono essere riconosciuti e
rimossi in fase di analisi dati
La spaziatura della griglia fa sì
che la sezione d’urto con i
raggi cosmici sia minimizzata,
mentre quella con i fotoni a
microonde sia massimizzata.
Nella figura si notano sia la
griglia che il sensore di
~ 1 cm temperatura al centro
Aniello Mennella Corso di Radioastronomia I A.A. 2018-2019I bolometri PSB
I bolometri PSB sono stati
progettati per consentire misure
di polarizzazione
La sensibilità alle due
componenti polarizzate si
ottiene grazie a due griglie
metalliche nella stessa cavità
orientate in direzioni
ortogonali.
Ogni griglia è collegata a un
proprio sensore e rileva metà
della potenza totale.
A fronte di un design
concettualmente semplice i
PSB sono limitati nella
purezza della polarizzazione
(sia nella cross-polarizzazione
~ 1 cm che nell’angolo di
polarizzazione)
Aniello Mennella Corso di Radioastronomia I A.A. 2018-2019Sensibilità dei bolometri di HFI
Il grafico a sinistra mostra il
rapporto fra il NEP misurato
e quello richiesto dalle
specifiche di progetto
Si può notare come il livello
di rumore sia in tutti i casi
migliore del requisito e in
alcuni casi prossimo al
livello del background
fotonico
Aniello Mennella Corso di Radioastronomia I A.A. 2018-2019L’effetto dei raggi cosmici Aniello Mennella Corso di Radioastronomia I A.A. 2018-2019
L’effetto dei raggi cosmici
I raggi cosmici hanno costituito un problema
importante nelle misure dello strumento Planck-HFI,
che è stato affrontato mediante un sistema di
flagging e rimozione dei dati affetti, con una
conseguente riduzione di sensibilità finale nella
misura (a causa del minore tempo di integrazione)
Aniello Mennella Corso di Radioastronomia I A.A. 2018-2019I bolometri di tipo TES
(Transition Edge Sensors)
Aniello Mennella Corso di Radioastronomia I A.A. 2018-2019Il principio alla base dei sensori TES
Curva di resistenza di un materiale I sensori TES sono bolometri in cui il
superconduttore in prossimità della metallo è costituito da un materiale
temperatura critica di transizione superconduttore che viene mantenuto
a una temperatura prossima a quella
di transizione
In questa regione ogni variazione di
temperatura causata dall’interazione
con la radiazione incidente causa una
grande variazione nella resistenza che
viene rilevata dal circuito di lettura.
Questo conferisce ai sensori TES una
sensibilità molto prossima al rumore
fotonico.
Una delle limitazioni che ha impedito
lo sviluppo di questi sensori per circa
mezzo secolo è stata la difficoltà di
sviluppare dei circuiti di lettura a
basso rumore. Queste difficoltà sono
state superate grazie ai sistemi di
lettura SQUID
Aniello Mennella Corso di Radioastronomia I A.A. 2018-2019I circuiti di lettura SQUID (Superconducting QUantum
Interference Device)
Il sensore TES è collegato a un
circuito di alimentazione a tensione
costante, così che l’aumento di
resistenza causato dalla radiazione
elettromagnetica incidente generi una
diminuzione della corrente che fluisce
nel sensore
Per poter rilevare questa riduzione di
corrente si utilizzano dei sistemi di
lettura SQUID (Superconducting
QUantum Interference Device)
accoppiati induttivamente al TES che
reagiscono al campo magnetico
generato dalla variazione di corrente
I sistemi SQUID consentono il
multiplexing, ovvero la possibilità di
controllare più sensori in
contemporanea, grazie alla loro
ampia larghezza di banda
Aniello Mennella Corso di Radioastronomia I A.A. 2018-2019I sensori TES dello strumento BICEP2 Il piano focale a 150 GHz dello strumento BICEP2 situato nella stazione americana di South Pole è costituito da 512 antenne planari ciascuna collegata a un sensore TES raffreddato a 300 mK Ogni unità polarimetrica ha le dimensioni di 7x7 mm ed è costituita da due antenne ortogonali a microstriscia ciascuna accoppiata a un bolometro TES Aniello Mennella Corso di Radioastronomia I A.A. 2018-2019
I sensori TES dello strumento BICEP2 Aniello Mennella Corso di Radioastronomia I A.A. 2018-2019
Piani focali basati su TES per il programma BICEP Aniello Mennella Corso di Radioastronomia I A.A. 2018-2019
I sensori di tipo KID (Kinetic
Inductance Detectors)
Aniello Mennella Corso di Radioastronomia I A.A. 2018-2019Il principio alla base dei sensori KID (Kinetic Inductance Detectors) I sensori a induttanza cinetica sono stati proposti per la prima volta nel 2002 dai laboratori Caltech e NASA-JPL. La loro semplicità realizzativa (rispetto ai TES) e il loro potenziale di sensori al alta sensibilità (molto prossimi al rumore fotonico) ne ha accelerato la ricerca e sviluppo al punto che in questi anni si stanno proponendo come i più diretti concorrenti ai detector di tipo TES Un sensore KID è essenzialmente un circuito LC risonante in un materiale tenuto a temperature in cui il suo comportamento è superconduttivo (ad esempio alluminio, che diventa superconduttore a temperature inferiori a 1.2 K). Quando un fotone interagisce con il circuito, l’energia rilasciata rompe parte delle coppie di Cooper generando quasi-particelle L’aumento delle quasi-particelle cambia l’induttanza cinetica del circuito e, conseguentemente, la frequenza di risonanza. Aniello Mennella Corso di Radioastronomia I A.A. 2018-2019
Il principio alla base dei sensori KID (Kinetic Inductance
Detectors)
I sensori a induttanza cinetica sono stati proposti per la prima volta nel
2002 dai laboratori Caltech e NASA-JPL.
La loro Le coppie realizzativa
semplicità di Cooper (rispetto
sono coppie di elettroni
ai TES) che
e il loro potenziale di
risultano
sensori al legate grazie
alta sensibilità (moltoall’interazione fra gli fotonico)
prossimi al rumore elettroni ne ha
e i fononi,
accelerato ovvero
la ricerca le fluttuazioni
e sviluppo al puntodel
chereticolo
in questidegli
anni si stanno
ioni del
proponendo materiale
come dovute
i più diretti alle variazioni
concorrenti di
ai detector di tipo TES
temperatura
Un sensore KID è essenzialmente un circuito LC risonante in un materiale
tenuto aQueste coppiein sicui
temperature formano solo quando la è superconduttivo (ad
il suo comportamento
esempiotemperatura
alluminio, che è sufficientemente bassa e sono
diventa superconduttore a temperature inferiori a
responsabili
1.2 K). Quando del comportamento
un fotone interagisce consuperconduttivo
il circuito, l’energia rilasciata
del materiale
rompe parte delle coppie di Cooper generando quasi-particelle
L’aumento delle quasi-particelle cambia l’induttanza cinetica del circuito
e, conseguentemente, la frequenza di risonanza.
Aniello Mennella Corso di Radioastronomia I A.A. 2018-2019Il principio alla base dei sensori KID (Kinetic Inductance
Detectors)
I sensori a induttanza cinetica sono stati proposti per la prima volta nel
2002 dai laboratori Caltech e NASA-JPL.
Le quasi-particelle
La loro semplicità realizzativasono gli elettroni
(rispetto ai TES)quando
e il loronon
potenziale di
sensori alsono
alta legati ad altri
sensibilità elettroni
(molto prossimiin coppie
al rumoredi Cooper.
fotonico) ne ha
Quando
accelerato gli elettroni
la ricerca sono
e sviluppo singoli che
al punto si muovono
in questi anni si stanno
all’interno
proponendo comedel conduttore
i più soggetti alle
diretti concorrenti complesse
ai detector di tipo TES
interazioni con il reticolo di ioni e con gli altri
elettroni.
Un sensore KID è essenzialmente un circuito LC risonante in un materiale
tenuto a temperature in cui il suo comportamento è superconduttivo (ad
esempio Ilalluminio,
termine quasi-particella si riferisce al fatto
che diventa superconduttore che è
a temperature inferiori a
possibileundescriverne
1.2 K). Quando il moto con
fotone interagisce (in modo
il circuito, l’energia rilasciata
approssimato)
rompe parte delle coppieconsiderando
di Cooper l’elettrone
generandocome una
quasi-particelle
particella in spazio libero ma dotato di una massa
L’aumentodifferente (massa effettiva)
delle quasi-particelle cambia l’induttanza cinetica del circuito
e, conseguentemente, la frequenza di risonanza.
Aniello Mennella Corso di Radioastronomia I A.A. 2018-2019Il principio alla base dei sensori KID (Kinetic Inductance
Detectors)
I sensori a induttanza cinetica sono stati proposti per la prima volta nel
2002 dai laboratori Caltech e NASA-JPL.
La loro semplicità realizzativa (rispetto ai TES) e il loro potenziale di
L’induttanza
sensori al totale
alta sensibilità del circuito
(molto prossimiconsta di due
al rumore parti, ne ha
fotonico)
unalageometrica,
accelerato che dipende
ricerca e sviluppo dalla
al punto chedisposizione
in questi anni si stanno
geometrica
proponendo come idel
piùcircuito stesso, e una
diretti concorrenti cinetica, che
ai detector è TES
di tipo
influenzata dalla densità di quasi particelle.
Un sensore KID è essenzialmente un circuito LC risonante in un materiale
tenuto aL’interazione
temperature con
in cuii fotoni
il suo aumenta il numero
comportamento di
è superconduttivo (ad
esempioquasi-particelle a spesesuperconduttore
alluminio, che diventa delle coppie di Cooper e,
a temperature inferiori a
pertanto, cambia la parte cinetica dell’induttanza e,
1.2 K). Quando un fotone interagisce con il circuito, l’energia rilasciata
conseguentemente,
rompe parte delle coppie dil’induttanza totale
Cooper generando quasi-particelle
L’aumento delle quasi-particelle cambia l’induttanza cinetica del circuito
e, conseguentemente, la frequenza di risonanza.
Aniello Mennella Corso di Radioastronomia I A.A. 2018-2019Il principio alla base dei sensori KID (Kinetic Inductance
Detectors)
I sensori a induttanza cinetica sono stati proposti per la prima volta nel
2002 dai laboratori Caltech e NASA-JPL.
La loro semplicità realizzativa (rispetto ai TES) e il loro potenziale di
sensori al alta sensibilità (molto prossimi al rumore fotonico) ne ha
La frequenza
accelerato la ricerca edisviluppo
risonanza al di un circuito
punto LC è data
che in questi anni si stanno
da ω0come
proponendo = (LC)i più. diretti
-1/2
Quando alimentiamo
concorrenti il circuitodicon
ai detector tipo TES
un segnale AC alla frequenza ω0 il circuito risuona
Un sensore
ovveroKID vi
è si
essenzialmente un circuito
instaura una corrente LC risonante
oscillante alla in un materiale
tenuto afrequenza
temperature ω0 inchecuisiilsmorza
suo comportamento
solo dopo un ècertosuperconduttivo (ad
esempiotempo.
alluminio, che diventa superconduttore a temperature inferiori a
1.2 K). Quando un fotone interagisce con il circuito, l’energia rilasciata
rompe parte delle coppie di Cooper generando quasi-particelle
L’aumento delle quasi-particelle cambia l’induttanza cinetica del circuito
e, conseguentemente, la frequenza di risonanza.
Aniello Mennella Corso di Radioastronomia I A.A. 2018-2019Il principio alla base dei sensori KID (Kinetic Inductance
Detectors)
Feedline, accoppiata
capacitivamente al sensore
capacitiva e induttiva
Sensore, con parte
L’interazione dei fotoni con il sensore cambia la
frequenza caratteristica del circuito. La differenza
Messa a terra, con in fase e in ampiezza della risposta rispetto a un
accoppiamento capacitivo segnale di alimentazione (tono) inviato tramite la
feedline viene correlata con la potenza della
radiazione incidente
Aniello Mennella Corso di Radioastronomia I A.A. 2018-2019L’accoppiamento con la feedline Una schiera di sensori KID può essere accoppiata ad un’unica feedline che invia una serie di toni a varie frequenze e registra la risposta dei vari sensori (ciascuno caratterizzato da una sua propria frequenza di risonanza). Questo semplifica grandemente la parte di lettura del circuito rispetto a quanto è necessario per i sensori di tipo TES Aniello Mennella Corso di Radioastronomia I A.A. 2018-2019
La camera NIKA al telescopio IRAM
Il telescopio di 30 m dell’Institut de
Radioastronimie Millimetrique di Grenoble
è uno dei due telescopi dell’istituto
francese
È situato in Spagna, nella Sierra Nevada a
circa 2800 m di altitudine ed è dedicato a
osservazioni nelle microonde e nel sub-
millimetrico
Lo strumento NIKA (Neel IRAM KID Array)
è un ricevitore dual-band (150/220 GHz)
basato su sensori KID raffreddati a circa
100 mK
Questo strumento ha dimostrato la
fattibilità e le potenzialità di questo genere
di sensori. Attualmente è in corso una
seconda versione dello strumento, NIKA2
Aniello Mennella Corso di Radioastronomia I A.A. 2018-2019La camera NIKA
A sinistra vediamo lo schema ottico dello strumento. Le due bande di frequenze sono
ottenute mediante un filtro dicroico posto di fronte ai due piani focali orientati a 90° l’uno
rispetto all’altro. A destra vediamo l’immagine dei due piani focali e del dettaglio dei
sensori KID. L’immagine (a) è relativa al piano focale a 150 GHz, costituito da 144 sensori
di tipo LEKID (Lumped Element KID, in cui sia l’antenna che il sensore sono integrati nello
stesso circuito). L’immagine (b) è relativa al piano focale a 220 GHz, costituito da 256
sensori di tipo Antenna coupled, in cui il sensore è connesso a un’antenna a dipolo
A.A. 2018-2019
planare.
Aniello Mennella Corso di Radioastronomia IPuoi anche leggere
