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 …