Detectors for CLASS-W2: The second 90 GHz telescope of the Cosmology Large Angular Scale Surveyor

技术摘要：CLASS-W2 检测器

问题与背景
宇宙学大尺度巡天计划（CLASS）旨在通过测量宇宙微波背景（CMB）在最大角尺度上的极化各向异性，来约束再电离光学厚度（$\tau_{reion}$），这是一个目前受空间探测测量限制而难以精确约束的参数。为了提高在 90 GHz 频段（该频段下 CMB 信号相对于前景噪声最强）的制图速度和灵敏度，CLASS 部署了第二台望远镜 CLASS-W2。本文重点讨论了 CLASS-W2 检测器焦面的设计、表征及性能，该焦面采用了由 NIST-Boulder 制造的过渡边缘传感器（TES）热计。研究中解决的一个特定挑战是“蓝泄露”（blue-leak）辐射（高频带外功率）的存在，这种辐射直接耦合到 TES 岛上，增加了光学负载和噪声。

方法论
本研究涉及一个安装在稀释制冷机 50 mK 级上的四模块检测器阵列（包含 296 个检测器）的制造、实验室测试和实地观测调试。

• 检测器设计： 焦面由馈目耦合（feedhorn-coupled）的 TES 热计组成。每个模块包含 37 个馈目，每个馈目通过超导平面正交模变换器（OMT）将两个正交极化耦合至两个 TES 热计。检测器采用沉积在 SiN 薄膜上的 AlMn TES，并使用镀金的 SiAl 基板进行热锚定。
• 表征：
  • 实验室环境： 在一系列浴液温度（$T_b$）下获取暗电流 I-V 曲线，以提取热参数（$T_c$, $\kappa$, $n$, $G$）和响应度。
  • 光学特性： 使用 Martin-Puplett 傅里叶变换光谱仪（FTS）进行带宽测量。利用木星和月球的实地观测来测量光束轮廓、光学效率和光学负载。
  • 缓解措施： 为了应对“蓝泄露”功率，2026 年 2 月在焦面前方安装了一个具有 157 GHz 切断频率的自由空间金属网低通滤波器（LPF）。对比了“无 LPF”（2025 年）和“有 LPF”（2026 年）配置下的性能。
• 分析： 通过结合测得的 NEP 与光学效率及带宽数据，计算噪声等效功率（NEP）和噪声等效温度（NET）。通过将测得的 NEP 与包括光子、声子和读出噪声在内的模型进行比较，量化了过剩噪声。
• 噪声性能： 阵列实现了 16 $\mu$K$\sqrt{s}$ 的噪声等效温度（NET）。

关键结果

• 检测器均匀性与产率： 该阵列实现了 94% 的检测器产率。TES 属性高度均匀，阵列平均临界温度（$T_c$）为 $184 \pm 3$ mK，热导（$G$）为 $460 \pm 47$ pW K$^{-1}$，正常电阻（$R_n$）为 $7.8 \pm 0.3$ m$\Omega$。
• 带宽与效率： 测得的带宽中心频率为 95.2 GHz，带宽为 28.3 GHz。端到端平均光学效率为 0.37（各模块间范围为 0.31 至 0.44）。
• 光学负载与蓝泄露：
  • 在没有 LPF 的情况下，暗检测器观测到约 1.1 pW 的蓝泄露功率，表明高频辐射直接耦合到了 TES 岛上。
  • 安装 LPF 后，蓝泄露功率降至约 0.2 pW，抑制了 0.9 pW。
  • 检测器上的平均带内光学负载为 3.3 pW，对应于约 23 K 的天线温度。
• 噪声性能：
  • 该阵列实现了 16 $\mu$K$\sqrt{s}$ 的噪声等效温度（NET）。
  • 安装 LPF 后，每个检测器的 NEP$^2$ 降低了 $(13 \text{ aW}\sqrt{s})^2$。
  • 尽管安装了 LPF，仍存在残余的过剩噪声，其量级与检测器声子噪声相当，这可能是由于检测器固有噪声或残余带外功率引起的。
• 速度： 电热反馈使热时间常数加快了约 10 倍，导致光学时间常数为 0.67 ms，远低于 10 Hz 调制所需的 16 ms 要求。

意义与主张
论文声称，部署 CLASS-W2 检测器阵列成功将 CLASS 90 GHz 的制图速度提升了 41%。这一提升归功于高检测器产率（94% 对比之前 CLASS-W1 代的 66%）、AlMn TES 属性的高度均匀性以及更快的检测器时间常数。该研究验证了“蓝泄露”模型，证明了高频辐射会直接耦合到 TES 岛，并且金属网低通滤波器能有效缓解这一噪声源。虽然实现的 $T_c$（184 mK）高于目标值（160 mK），从而导致较高的饱和功率和略高的 NEP，但系统处于光子噪声受限状态，并已准备好在计划于 2027 年进行的后续制造运行中进行进一步优化。这项工作为通过地面观测持续改进对再电离约束的 CMB 极化测量建立了一个稳健的平台。