Проект Миллиметрон. Перспективы развития аппаратурного комплекса

1. Проект Миллиметрон. Перспективы развития аппаратурного комплекса Гольцман Г.Н. • Обзор приборного комплекса телескопа, планируемого для диапазона волн от мм до среднего ИК • Матричные болометрические приёмники (диапазон 0,1 - 1 ТГц) • Супергетеродинные приёмники для создания радиоинтерферометра «Миллиметрон» - ALMA (диапазон 0,03-0,9 ТГц) • Супергетеродинные приёмники диапазона 1-30 ТГц • Спектрометр высокогоразрешения (R  106) диапазона (0,5-10 ТГц) • Матричные приёмники – счётчики фотонов среднего и дальнего ИК диапазонов Годовой отчёт АКЦ. ПРАО, 6-9 февраля 2007

2. Обзор приборного комплекса телескопа диапазона от мм до среднего ИК Матрицы болометров Матричный счётчик ИК фотонов Супергетеродинные приёмники Число элементов ~103 Эквивалентная мощность шума 10-20 W/√Hz Число элементов ~104 Эквивалентная мощность шума 10-21 W/√Hz диапазоныALMA30–1000 ГГц Приёмники: интегральный сверхпроводящий СИС-приёмник Чувствительный элемент: болометр на электронном разогреве в ультранокой плёнке сверхпроводника (Ti, Nb-Au) с Андреевскими контактами Чувствительный элемент: сверхпроводящий однофотонный детектор на основе NbN наноструктуры СИС-смеситель интегрированный в антенну, FFO генератор и гармонический смеситель для ФАПЧ V.P. Koshelets et alSuperconducting Integrated Receiver for TELIS // IEEE Trans. on Appl. Supercond., vol. 15, pp. 960-963, 2005.0 диапазоны 1-30 ТГц Приёмники: HEB смесительс ККЛ-гетеродином Hot-electron direct detectors: feasibility of NEP 10-20 W/√Hz at submillimeter waves Boris S. Karasik et al, Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, CA 91109 G. Gol'tsman et al "Picosecond superconducting single-photon optical detector" Applied Physics Letters 79 (2001): 705-707 Yu.B. Vachtomin et al Hot electron bolometer mixer for 20-40 THz frequency range //Proc. 16th Int. Symp. on Space THz Techn., Sweden, 2005, pp.393-397 Годовой отчёт АКЦ. ПРАО, 6-9 февраля 2007

3. Матричные болометры Дихроические пластины Несколько матриц болометров для получения изображений в диапазоне 0.2-2 mm Область зрения – 80 сек. дуги Разрешение – 440 сек. дуги Фурье-спектрометр в конфигурации Маха-Цандера Два матричных болометрических приёмника, оптимизированных на диапазон 30-150 mm или 0.15-1.5 mm Годовой отчёт АКЦ. ПРАО, 6-9 февраля 2007

4. Структура болометра Матрицы болометров для получения изображений Матрицы болометров для спектрометров Спиральная антенна Двухщелевая антенна Падающее излучение антиотражающее покрытие Несколько десятков болометров на единой подложке, нет антиотражающего покрытия Несколько сотен болометров на единой подложке, антиотражающее покрытие подложка Интегрированные с антенной болометры В стадии разработки: схема съёма сигнала СКВИД-усилителями Годовой отчёт АКЦ. ПРАО, 6-9 февраля 2007

5. Супергетеродинные приёмники Несколько частотных диапазонов от30 ГГц до 1ТГци от 1 до 5 ТГц,разделённые дихроическими пластинами Приемники, основанные на смесителях на горячих электронах в сверхпроводнике HEB Интегрированные сверхпроводящие СИС-приёмники Herschel band 6 HEB mixer unit CTH - MSPU Need to be done: improve performance in 4-6 THz push bandwidth up to 8 GHz get local oscillators Need to be done: push SIR performance up to 1 THz Годовой отчёт АКЦ. ПРАО, 6-9 февраля 2007

6. HEB based receivers noise temperature Directly coupled HEB mixer Годовой отчёт АКЦ. ПРАО, 6-9 февраля 2007

7. Spiral Antenna and Twin-Slot Antenna Coupled HEB Mixers Twin-Slot Antenna coupled HEB mixers are designed and tested for 0.6 THz, 1.6THz and 2.5THz center frequency (CTH – MSPU) Spiral antenna coupled HEB mixer is designed and tested for 0.7 – 5.2 THz range (MSPU – DLR) Годовой отчёт АКЦ. ПРАО, 6-9 февраля 2007

8. HEB mixer application in ground-based radioastronomy showed very good stability of HEB mixers MoscowStatePedagogicalUniversity Harvard – Smithsonian Center for Astrophysics 10-meter the Heinrich Hertz Telescope (HHT) on Mt. Graham (Arizona, USA). First fully-resolved ground-based detection of a terahertz spectral line from an astronomical source (CO 9-8 in Orion BN/KL) was obtained with the HEB receiver (January 2000).The first ground-based heterodyne detection in the terahertz band. http://www.cfa.harvard.edu/srlab/rxlabHEB.html http://www.cfa.harvard.edu/srlab/secure/rxlabTerahertzScience.html Годовой отчёт АКЦ. ПРАО, 6-9 февраля 2007

9. Good stability of HEB receivers is approved by ground-based observations of 0.83 THz, 1.037 THz, 1.27 THz and 1.46 THz lines in Chile MoscowStatePedagogicalUniversity Harvard – Smithsonian Center for Astrophysics Годовой отчёт АКЦ. ПРАО, 6-9 февраля 2007

10. Orion Molecular Cloud (OMC 1) Harvard – Smithsonian Center for Astrophysics Годовой отчёт АКЦ. ПРАО, 6-9 февраля 2007

11. GREAT - German Receiver for Astronomy at Terahetz Frequencies Three bandpasses: 1.4-1.9 THz - KOSMA, I. Physikalisches Institut der Universität zu Köln, Cologne 2.4-2.7 THz - Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn 4.7 THz - DLR Institut für Weltraumsensorik, Berlin (HEB mixer developed in collaboration with Moscow State Pedagodical University, Moscow, Russia) Remote on-board sensing of upper atmosphere in submillimeter waveband for monitoring of heterogeneous chemical reactions catalyzed by atmospheric trace gases which are presumably responsible for global warming. http://www.sofia.usra.edu/ Годовой отчёт АКЦ. ПРАО, 6-9 февраля 2007

12. TELIS – TeraHertz Limb Sounder Heterodyne spectrometer on a balloonplatform measures importantatmospheric constituents in the lower stratosphere (OH, HO2, NO, HCl, ClO, BrO, ...) Collaborating institutes: 1. DLR: 1.8. THz channel, (HEBmixers aredeveloped in cooperation withMSPU) 2. RAL: 500 GHz channel 3. SRON: 600-650 GHz channel TELIS Годовой отчёт АКЦ. ПРАО, 6-9 февраля 2007

13. Submm superconducting integrated receiver (SIR) based on superconductor-insulator-superconductor tunnel junction (SIS) 20 mm 1 mm 500 GHz imaging array SIR V.P. Koshelets et al, Institute of Radio Engineering and Electronics (IREE-Moscow) Годовой отчёт АКЦ. ПРАО, 6-9 февраля 2007

14. Superconducting nanostructured detectors capable of single-photon counting in the middle-IR and comparison with existingsingle-photon detectors 50 20 20%@1.55mm <10-4 < 10 MHz Годовой отчёт АКЦ. ПРАО, 6-9 февраля 2007

15. Mechanism of SSPD Photon Detection G. Gol'tsmanet al, Applied Physics Letters 79 (2001): 705-707 A. Semenov et al, Physica C, 352 (2001) pp. 349-356 Годовой отчёт АКЦ. ПРАО, 6-9 февраля 2007

16. NbN SSPD noise equivalent power (NEP) at different radiation wavelengths at 2K temperature Годовой отчёт АКЦ. ПРАО, 6-9 февраля 2007

17. SSPD integrated with optical cavity The design of advanced SSPD structure consists of a quarter-wave dielectric layer, combined with a metallic mirror. Годовой отчёт АКЦ. ПРАО, 6-9 февраля 2007

18. First step in SSPD imager: 2x2 SSPD Array SSPD parameters measured at 2 K temperature Годовой отчёт АКЦ. ПРАО, 6-9 февраля 2007

19. Andreev contacts to prevent heat out-flow Diffusivity D = 1 – 2 cm2/s tdiff = L2/p2D 20 nm Ti Tc=0.3 K Boris S. Karasik, William R. MacGraph, Michael E. Gershenzon, Andrew V. Sergeev Hot-electron direct detector: feasibility of NEP 10-20 W/√Hz at submillimeter waves//Space Astrophysics Detectors and Det. Techn. Workshop, Baltimore, Maryland, USA, 1 aug. 2000 Годовой отчёт АКЦ. ПРАО, 6-9 февраля 2007