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Les avances d'onde millimétrique donnent à la Science un élan

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Utilisant la technologie d'onde millimétrique augmenter la qualité des expériences sur des colliders de physique de particules subatomiques ou permettre la formation image du rayonnement cosmique est juste les parties émergées de l'iceberg pour un champ croissant des dispositifs avancés.

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Pendant que les portes à la détection et à la génération d'onde millimétrique se sont ouvertes, les scientifiques et les chercheurs ont commencé à employer créativement ce nouveau royaume du rayonnement (fin de support) électromagnétique pour augmenter leurs expériences courantes et pour rendre des neufs possibles.

La formation image du rayonnement 95/150-GHz pour la formation image de fond des projets de la cosmique-extragalactique-polarisation (BICEP) est parmi les technologies d'onde millimétrique faisant sensation dans le monde de la dur-science. Notamment, le Collider lourd relativiste d'ion (RHIC) au laboratoire national de Brookhaven emploie également la technologie d'onde millimétrique pour des poussées d'exactitude de collision.

Généralement, des ondes millimétriques sont définies comme rayonnement de fin de support entre les dizaines du gigahertz et les centaines de gigahertz. Le cosmos, les corps humains, et beaucoup d'autres objets rayonnent naturellement cette énergie. Maintenant, des ondes millimétriques peuvent être produites sûrement pour permettre le plus en retard dans des communications à grande vitesse.

Applications courantes

Certaines des propriétés intéressantes des ondes millimétriques sont dérivées de leurs longueurs d'onde relativement petites comparées à la technologie de télécommunications courante, bien que leurs longueurs d'onde soient encore grandes comparées aux vagues légères. Les ondes millimétriques, alors, peuvent tirer profit des possibilités récentes des semi-conducteurs à haute fréquence sans devoir dépendre de la technologie photonique.

Par exemple, un réseau d'antennes qui reçoit ou transmet des ondes millimétriques pourrait être établi sur un circuit intégré (IC) avec des dix aux centaines d'éléments sur un simple meurent. Cette approche permet à des techniques d'antenne réseau à commande de phase de fonctionner en même temps que des méthodes de technologie des communications, augmentant l'intégrité de signal pour produire les encres en poudre à haute résolution.

Il est sûre employer les encres en poudre en résultant d'onde millimétrique autour des humains tout en pénétrant des couches minces d'habillement. Pour le criblage les grands groupes ou passagers de examiner rapidement dans un aéroport, ces encres en poudre donnent à personnel de sécurité une méthode rapide et non-intrusive pour identifier des menaces. Avec de légères modifications et connaissance sophistiquée de la physique cosmique, ces sondes peuvent être adaptées au rayonnement de mesure qui a été théoriquement polarisé des effets de pesanteur pendant Big Bang.

Les rangées d'utilisation des projets BICEP, BICEP2, et BICEP3 d'antennes et de sondes d'onde millimétrique pour détecter degré-mesurent, polarisation de B-mode induite par des effets de vague de la gravité de fond. Les expériences de BICEP visent à prévoir et vérifier la polarisation du B-mode ondule, qui peut indiquer des aspects de la théorie cosmique d'inflation. Ces dispositifs ont pu également permettre un arrangement rudimentaire du procédé physique pour l'inflation. Les sondes comportent des rangées d'éléments dans un plan de la duel-polarisation, antenne-couplées, des bolométres de la transition-bord-sonde (TES) fonctionnant entre 90 et 220 gigahertz. Les caractéristiques de duel-polarisation permettent la détection des polarisations d'A et de B de mode.

Pour le BICEP2, chaque sonde 150-GHz utilise une rangée de 64 polarimètres (ou de 128 détecteurs de TES). Chaque sonde est fabriquée utilisant un processus de gaufrette de silicium de quatre-pouce (fig. 1). Pour capturer des polarisations linéaires d'A et de B, les unités de polarimètre utilisent une paire d'antennes réseau à commande de phase planaires, coïmplantantes, orthogonales aussi bien qu'un microruban additionnant le réseau, de filtres passe-bande de microruban, et d'une paire de bolométres de TES.

Chaque polarisation a un microruban indépendant additionner le réseau et deux ensembles de fentes orthogonales, qui lui permettent d'isoler les différentes polarisations (fig. 2). Cet isolement est réalisé en formant un faisceau utilisant la collimation de faisceau et puis en combinant avec cohérence les signaux des secondaire-antennes avec un microruban supraconducteur de niobium additionnant le réseau.

Après, les signaux sont introduits par un filtre passe-bande de microruban avec une largeur de bande qui est marginalement plus étroite que celle des antennes. Les signaux laissent le filtre passe-bande et le voyage par la bande supraconductrice, qui se termine en microruban résistif de méandre. De l'énergie thermique du rayonnement est détectée utilisant un bolométre thermiquement d'isolement de TES sur l'île de silicium-nitrure (péché) (fig. 3). Un champ de 256 éléments de duel-polarisation est construit comme un plan focal de quatre rangées.

Les gaufrettes de détecteur sont empilées avec une gaufrette d'antiréflexion de quartz et montées d'un plat de cuivre gold-plated. Des liens de fil d'or sont employés pour relier électriquement la gaufrette de détecteur et un tableau de circuit imprimé (carte) à l'électronique de signal-amélioration. Les signaux des détecteurs sont fournis par les liens de fil d'or à des 33 l'élément, morceau du multiplexeur de supraconducteur-quantum-interférence-dispositif (CALMAR) (MUX) du National Institute of Standards and Technology (NIST).

Ces morceaux sont maintenus à la même température que les rangées de détecteur. Ils emploient un morceau du Nyquist-inducteur de NIST (NYQ) pour filtrer dehors le bruit de haute fréquence. En revanche, le bruit de basse fréquence est enlevé du système employant des techniques de corrélation et des données de plusieurs ? foncé ? Canaux de CALMAR avec les raccordements divisés de microruban aux antennes.

BICEP2 utilise un bâti de focal-avion de science-catégorie déployé à la station d'Amundsen-Scott Pôle du sud pour l'exécution optique optimale. Par le passé les données de la multi-année-longue expérience ont été traitées, il ont indiqué les cartes de polarisation les plus sensibles du rayonnement du cosmique-micro-onde-fond (CMB). Visant pour des augmentations de sensibilité et des images higher-resolution, les groupes scientifiques avançant le projet développent des rangées de détecteur de haut-catégorie et de plus grands concepts de rangée.

Par exemple, les utilisations de projet de rangée de Keck cinq bâtis séparés avec les encres en poudre multiples incorporées dans chaque bâti tout en courant deux encres en poudre 100-GHz. Pour amplifier la sensibilité et la résolution, les promesses du projet BICEP3 d'inclure les rangées 2056 de détecteur à 100 gigahertz avec une plus grande ouverture et 10 fois BICEP2 ? sortie optique de s. Une autre manière d'étudier la dynamique fondamentale de l'univers est d'essayer de produire des conditions du cosmos tôt utilisant des collisions de grande énergie de particules et d'apprendre des feux d'artifice suivants.

Rotation vers le haut de la physique de grande énergie de particules

Une technique pour comprendre la nature et l'histoire de notre univers est de heurter les particules de grande énergie les uns contre les autres tandis qu'elles voyagent aux vitesses proche-relativistes. Ces collisions, qui causent la particule disjoignant, pourraient potentiellement indiquer les détails des interactions de particules de quantum.

D'intérêt particulier au laboratoire national de Brookhaven sont-ils les quarks ? les composants dans les particules subatomiques. Les scientifiques chez Brookhaven emploient le RHIC pour accélérer les particules subatomiques, telles que des neutrons et des protons, à 99.995% la vitesse de la lumière (fig. 4).

Pour réaliser le nombre maximum des collisions, le RHIC doit produire d'un nuage compact franchement - des particules chargées. Il emploie une méthode connu en tant que refroidissement stochastique ce des aides pour augmenter le taux de collisions par trois à cinq fois. Le refroidissement stochastique produit les groupes étroitements aligné d'environ 100 milliards de particules.

Pour s'assurer que ces groupes se heurtent, les champs (fin de support) électromagnétiques sont employés pour commander et diriger les particules dans deux opposées et les pipes indépendantes de faisceau qui intersectent dans quatre endroits séparés. Les données détaillées sont nécessaires pour déchiffrer la physique des collisions. En conséquence, l'essai se produit des dizaines de milliers de périodes par seconde pour presque la moitié de l'année.

Pour coordonner tant de collisions à un tel taux, le calibrage sophistiqué et les mécanismes de cheminement sont nécessaires. L'électronique sont employées pour sentir des erreurs de faisceau et pour établir la correction opportune de faisceau avec l'électronique de faisceau-correction par l'intermédiaire des signaux de commande d'onde millimétrique.

Pour s'assurer que les signaux peuvent rapidement rapporter des erreurs et fournir des détails de correction, les sondes d'onde millimétrique sont configurées le long de l'pour raccourcir le chemin pour aider les signaux pour dépasser les particules accélérées. Le dispositif d'onde millimétrique utilisé dans ce processus était un système coutume-créé fait par HXI, une filiale de technologie de la Renaissance.

HXI a fourni les parties faites sur commande en seulement quelques mois en utilisant la technologie lumière-autorisée par 70-GHz courante. En le convertissant en analogue, HXI a élargi la largeur de bande par 5 à 9 gigahertz. La conversion d'un lien sans fil de communications numériques en liaison analogique était l'un des défis en mettant en application le nouveau détecteur. La technologie a exigé des modifications significatives, et la majeure partie de l'électronique de communications numériques a été enlevée.

? La difficulté était avec l'upconverting/downconverting et veiller que la radio a assorti la dynamique des systèmes de RHIC ? Earle dit Stewart, HXI ? directeur de développement des affaires de s.

Les radios numériques plus anciennes ont eu les oscillateurs locaux relaxés (visibilité directe). En revanche, la visibilité directe dans la radio analogue sont à verrouillage déphasé pour une meilleure stabilité de phase et une dynamique beaucoup plus élevée (DB presque 40). Pour retirer les avantages maximum du système de lien, le laboratoire de RHIC a employé deux ensembles de liaisons hertziennes placées dans différentes parties du RHIC.

En conséquence, le lien analogue d'onde millimétrique peut communiquer rapidement entre les sondes de faisceau et la technologie de correction de faisceau ? une distance approximativement de 700 M. de cette manière, il peut fournir une expérience fortement augmentée de collision. Utilisant des ondes millimétriques dans ce projet au lieu d'autre commande-signal-transmettez par relais la technologie, telle que des lasers, a rigoureusement réduit le coût de mettre en application un système de correction. Dans la théorie, le dispositif de commande d'onde millimétrique utilisé pour augmenter le mécanisme de refroidissement stochastique pouvait également augmenter la luminosité lourde de collision d'ion par un facteur de deux.

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