Instrumentation for the Tenerife microwave spectrometer
- Autores: Paz Alonso Arias
- Directores de la Tesis: Roger Hoyland (dir. tes.), José Alberto Rubiño Martín (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de La Laguna ( España ) en 2022
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Silvia Masi (presid.), Begoña García Lorenzo (secret.), Robert A. Watson (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Astrofísica por la Universidad de La Laguna
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
El interés por desentrañar la historia térmica del Universo infante, codificada en la distribución espectral del fondo cósmico de microondas (FCM), ha sido durante mucho tiempo una fuerza impulsora en la comunidad científica. Recientemente se han propuesto nuevas misiones espaciales para detectar distorsiones espectrales a alta frecuencia, aprovechando los recientes avances tecnológicos que prometen una sensibilidad muy elevada (los últimos límites establecidos para las distorsiones son de < 1e-5 en el rango de longitudes de onda de cm).
Hasta que estos resultados estén disponibles, los experimentos en tierra pueden ser pioneros en este campo. En este escenario, el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) propone y lidera el Tenerife Microwave Spectrometer (TMS), un experimento basado en tierra que tomará medidas absolutas del cielo entre 10 y 20 GHz desde el Observatorio de Izaña (Tenerife). Como experimento en tierra, se configura como banco de pruebas para diferentes conceptos tecnológicos novedosos y métodos de separación de componentes de cielo, que podrían después aplicarse en las misiones espaciales. Además, al cubrir un rango de frecuencias usualmente no accesible desde el espacio, TMS contribuirá a completar la información espectral del cielo de microondas para la nueva generación de experimentos de FCM.
Esta tesis se ha desarrollado en el contexto del experimento TMS, y ha abordado principalmente el desarrollo instrumental de una selección de subsistemas clave. Aborda el diseño y la caracterización de un calibrador interno de cuerpo negro; el diseño del sistema óptico del TMS; y, el diseño del transductor de modos ortogonales (OMT) y del acoplador híbrido de banda ultraancha.
En la primera parte, presentamos los objetivos científicos del TMS, la estrategia de observación y las características nominales del instrumento. El TMS es un radio espectrómetro de altísima sensibilidad que opera a 10–20 GHz en condiciones criogénicas (10 K). Un sistema de dos espejos en configuración Gregoriana enfoca los fotones de FCM hacia el detector, que consiste en un radiómetro diferencial de pseudo-correlación (detección coherente) y un espectrómetro. El receptor heterodino baja en frecuencia las señales de radiofrecuencia, que luego son digitalizadas por el sistema de adquisición ultra-rápido de una tarjeta FPGA. La FPGA procesa las señales detectadas, recupera la información espectral y calcula los espectros de los parámetros de Stokes. Con un análisis de balance de ruido, hemos estimado un ruido equivalente del receptor de aproximadamente 8 K.
La estrategia de observación, diseñada a partir de los objetivos científicos, incluye sondeos continuos del cielo completo, así como sondeos profundos en ciertas regiones del cielo de interés. Se ha simulado el funcionamiento del TMS en condiciones nominales. Hemos verificado la capacidad del TMS para reconstruir la temperatura atmosférica y la resolución de características espectrales de hasta 0,6mK mediante observaciones de skydip de corta duración (10 min).
También se ha verificado nuestra capacidad para medir el exceso de emisión detectado por el instrumento ARCADE, uno de los principales objetivos científicos de TMS. Se ha confirmado que para detectar esta radiación sin sesgos, es necesaria una calibración y estimación diaria de la cantidad de vapor de agua de la atmósfera. La estrategia de observación propuesta incluye observaciones cortas de tipo skydip antes y después de la operación en modo raster, para asegurar la correcta caracterización de la variación de la atmósfera.
En la parte central de la tesis, describimos el desarrollo y las pruebas del calibrador interno de cuerpo negro y el diseño del sistema óptico. La carga a 4K de TMS (4KCL) proporcionará una señal de referencia ultra-estable para realizar una comparación continua con la señal del cielo. La carga fría consiste en un núcleo de aluminio, compuesto por una base y un lecho de elementos piramidales revestidos con un material absorbente, y un escudo metálico. Su diseño está optimizado para cumplir los estrictos requisitos de estabilidad y homogeneidad térmica, y de emisividad en la banda TMS, entre 10 y 20 GHz.
Se han realizado mediciones de reflectividad especular y difusa de la carga en un rango de frecuencias extendido entre 8–24 GHz. La reflectividad especular es mucho mejor que el objetivo de diseño para la mayor parte de la banda de TMS (-40 dB). Se ha comprobado tanto la integridad mecánica frente al estrés térmico como la homogeneidad térmica del diseño. La homogeneidad térmica de la carga se conserva incluso ante grandes desequilibrios de temperatura.
El sistema óptico del TMS está formado por la bocina de alimentación, una ventana de vacío y un filtro de radiación infrarroja (IR), los espejos parabólico y elíptico, y las estructuras de soporte. Se han realizado mediciones en el laboratorio del IAC de la reflectividad del prototipo de filtro IR, para verificar que cumple con las especificaciones requeridas. Hemos realizado simulaciones electromagnéticas para caracterizar el comportamiento del sistema, enfocándonos en la variación espectral del haz, la filtración en polarización y el análisis de la región de lóbulos laterales. En la banda de 10–20 GHz, el haz principal presenta menos de 2 °, y la filtración de polarización es mejor que el 2.6% para toda la banda. En la configuración actual, las contribuciones parásitas al ángulo sólido total es menor que aproximadamente el 3.0 %. La estructura de soporte y la visión directa del cielo desde la bocina son los principales contribuyentes a la región de lóbulos laterales. Se ha confirmado la necesidad de una estructura de apantallamiento para minimizar estos lóbulos laterales por debajo del 0,1% del ángulo sólido total.
La última parte de la tesis está dedicada al diseño del OMT y del acoplador híbrido de 180°. El diseño para el acoplador híbrido es un concepto novedoso de acoplador de banda ultra-ancha basado en el diseño del OMT. El OMT se basa en la tecnología de guía de ondas de cuatro resaltes, y presenta una geometría altamente simétrica que permite el funcionamiento en todo el ancho de banda de operación del TMS, entre 10–20 GHz. El diseño del OMT garantiza unas pérdidas de retorno (-25 dB), así como niveles de polarización cruzada (-60 dB) y aislamiento (-60 dB), óptimas. Además, se garantiza un máximo rechazo de los modos de orden superior que se propagan en la bocina del TMS. El acoplador híbrido presenta una buena adaptación tanto en los puertos de entrada como de salida, así como bajas pérdidas y rizado. El diseño garantiza un mínimo desequilibrio de fase y amplitud de salida en toda la banda de TMS.
