silvia masi tecnologie innovative per la cosmologia per asi• wp2332 metodologie di test e...
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Tecnologie Innovative per la Cosmologia dallo Spazio
Silvia MasiDipartimento di Fisica, Università La Sapienza
Workshop “Studi di Osservazione dell’ Universo”25-26 Marzo 2009
Dati Dati Dati
Necessitiamo di dati MIGLIORI riguardanti le diverse fasi dell’ evoluzione cosmologica e le zone più OSCURE
Dati Dati Dati
Necessitiamo di dati NUOVI sulle primissime fasi dell’ evoluzione cosmologica
uoviDati
COFIS– Nodo 2400: Nuove idee di missioni
• WP2410 Studio della misura delle distorsioni spettrali CMB dallo spazio (Sironi)• WP2420 Metodologie per un satellite dedicato alla spettroscopia delle
anisotropie nel millimetrico (Masi)
– WP applicativi del Nodo 2300: Polarizzazione CMB per Cosmic Vision ESA
• WP2321 Nuove tecnologie di radiometri, antenne, sistemi criogenici, calibratori (Villa)
• WP2322 Studio di effetti sistematici e di testing (Mennella)• WP2323 Analisi di architetture a correlazione per strumentazione orientata alla
misura del modo B di CMBP (Carretti)• WP2331 Nuovi rivelatori non coerenti e loro uso per CMB polarization (de
Bernardis)• WP2332 Metodologie di test e minimizzazione di rumore e sistematiche (Masi)• WP2333 Orbita, strategia di scansione e di calibrazione (Piacentini)
– Racconto solo alcuni dei risultati, per mancanza di tempo
Target 1: Polarizzazione CMB• Osservabile relativa al very early universe• Unico modo di attaccare il problema dell’
origine o della ciclicità• Richiede innovazioni tecnologiche
importanti:– Ottiche di front-end polarimetricamente pure– Modulatori di polarizzazione– Grandi mosaici di rivelatori millimetrici– Sistemi criogenici per lo spazio
Polarization-pure Optical systemsThe optical system consists of a dragonian antenna (off-axis unblocked dual reflector aperture with a primary diameter of 400 mm) providing a very large focal plane area (50% of the aperture) with low aberrations and excellent cross-pol performance.
The cross-pol for the outer feeds is better than the -35 dB requested in the specifications. Bologna(IRA)Cagliari.
80 85 90 95 100 105 110-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
GHz
dB
30 %
IEIIT – Istituto di Elettronica e di Ingegneriadell'Informazione e delle Telecomunicazioni
Reflection Coefficient
Analisi polarimetrica: OMT arrays
Multi-layer (platelet) technology
•Planar symmetric OMT configuration•Several identical devices can be simultaneously built during the same manufacturing process (cost-effective approach)
•The tile dimension can be varied to meet the antenna design requirements
7-element cluster example
Input circularwaveguides
(exploded view)
R.Tascone, G. Virone, O. A. Peverini, G. Addamo
Planar structures (OMT, phase shifter, calibration standards…) development at UNIMIB and APC (Paris) in collaboration with IEF Orsay.
Superconducting planar structure deposited on silicon substrates according to CST simulations.
Characterization @4K by means of VNA calibrated @ 4K too
Calibration Standards
DUT75-110 GHz VNA ports
Benoit BelierIEF Orsay
Model
Results
Fast axis Transmission
G. Pisano et al., Applied Optics v45, n26 (2006)G. Savini et al., Applied Optics v45, n35 (2006)Achromatic Sapphire HWP Studies
Extrapolated Cross PolarisationCross-Polarisation Fit
Results
RotatoreRotatore CriogenicoCriogenicoE’ necessario che la HWP ruoti a temperatura criogenica, per minimizzare gli offset di modulazione.
E’ stato disegnato un dimostratore, un sistema meccanico basato su cuscinetti reggispinta nei quali la compensazione delle contrazioni termiche avviene tramite molle a tazza.
M. Salatino et al. 2008
Per B-Pol• Studio comparativo:
– Modulatore a rotazione continua vs– Modulatore a step
• Parametri fattibili:– Continuo (motore superconduttore): 5 Hz– A step: 11.25°/step (in pochi secondi)
• Confronto prestazioni (sotto studio) sovrapponendo– Spin del payload– Precessione dell’ asse di spin– Modulazione
Grandi mosaici di rivelatori mm
Necessari per migliorare la mapping speed quando le prestazioni dei rivelatori sono limitate dal rumore dei fotoni
Measured performance of Planck HFI bolometers(Holmes et al., Appl. Optics, 47, 5997, 2008)
=Photonnoiselimit
Multi-moded
Grandi mosaici di rivelatori mm• In Italia vengono costruiti rivelatori millimetrici e
submm replicabili in grandi mosaici• Tecnologie alternative, ambdue molto versatili
(mm/submm, ma anche X e particelle):– TES (gruppo di Genova)
• Tecnologia più avanzata, TES sono già installati su grandi telescopi
• Richiedono elettronica di lettura complessa e grande cura nella schermatura dei campi magnetici
– KIDs (gruppo RIC-INFN – Roma/TN/PG)• Tecnologia in via di sviluppo, con risultati molto incoraggianti• Multiplexing relativamente semplice, insensibile a campi
magnetici esterni
Guide a stripline diNb su SiO2 e piano di massasottostante di Nb. Sono state realizzate 2 guide parallele per testare gliaccoppiamenti. Le stripline sonolarghe 3 um e' hanno unadefinizione del bordo di 0.3 um
Primo prototipo dibolometro THM a TES di Ti-Au con guida d'onda (dalladestra) e assorbitoredi Bi. Il TES e sullamembrana sospesamentre l'assorbitore diBi e parzialmentefuori dalla mebrana. Le dimensioni sonocalcolate per rispettare il matching di impedenze.
TES per radiazione millimetrica sviluppati dal gruppo di
Flavio GattiUniversità/INFN di Genova
T distribution for spiderweb-like bolometer with a legs width of 100 µm
MKIDs• Kinetic Inductance Detectors• Risuonatori superconduttivi (Q=106)• L’ arrivo di fotoni mm/submm spezza le
coppie di Cooper e modifica la frequenza di risonanza.
• Facilmente multiplexabili: centinaia con due soli cavi coassiali. Enorme vantaggio criogenico.
• Attività finanziata da INFN gruppo V.• Nel COFIS, studio (simulazioni) di una
nuova idea: LEKID Lumped ElementsKID e progetto del sistema di lettura.
5101.1 ⋅≈Q
Cnc
RnQP
Lnkin
Lnmag
Cnl
C1c
R1QP
L1kin
L1mag
C1l
C2c
R2QP
L2kin
L2mag
C2l
RF carrier (f 1 + f 2 + ... + f n )
Pixel 1, f 1 Pixel 2, f 2 Pixel n, f n
C
L
Risuonatore ottimizzato per 150 GHz
ADS simulation
LEKIDs• Il risuonatore viene realizzato in modo da avere una
impedenza alle microonde incidenti uguale all’impedenza del vuoto, in modo da massimizzare l’assorbimento. Quindi è contemporaneamente assorbitore e risuonatore.
• Simulazioni dettagliate:
• Molto promettente, assorbimento molto alto. Necessario supporto per passare alla realizzazione di prototipi.
Target 2: Studi spettrali del fondo cosmologico
• Finora la CMB è stata studiata in anisotropia e in polarizzazione, ma senza risoluzione spettrale.
• Osservabile relativa all’ early universe (spettro del fondo), ma anche alle strutture in formazione (spettro delle anisotropie, SZ, righe di galassie primordiali)
• Spettrometro a trasformata di Fourier, con divisione in diverse bande per limitare il background radiativo sui bolometri
• Molto efficiente e sperimentato (vedi COBE, VIRTIS, Herschel, …..)
• Utilizzato per la proposta di piccola missione SAGACE (ottima readyness)
Nuova metodologia
• Per il futuro, dobbiamo studiare una metodologia più leggera, che è possibile ma richiede innovazioni tecnologiche importanti:– Spettrometri compatti e leggeri– Mosaici di rivelatori (e di spettrometri)– Sistemi criogenici per lo spazio
• L’ idea è di sviluppare uno spettrometro on-chip basandosi sulle meravigliose proprietà di trasmissione delle stripline superconduttive.
• Attività in corso per l’ ultimo anno dello studio …