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Detector readout electronics for EBEX: a balloon-borne cosmic microwave background polarimeter

By François Aubin

Abstract

EBEX (the E and B Experiment) is a balloon-borne telescope with 8' resolution primarily designed to detect the B-mode polarization of the cosmic microwave background radiation, which would represent strong evidence for the inflationary period of the universe. EBEX will also characterize the galactic dust and the gravitational lensing. During a 11 day long duration science flight over Antarctica scheduled for the Austral Summer of 2012-2013, EBEX will operate 872, 436 and 256 spider-web transition edge sensor (TES) bolometers at 150, 250 and 410 GHz, respectively, and observe a 350 square degree patch of sky.The EBEX engineering flight in June 2009 over New Mexico and Arizona provided the first usage of both a large array of TES bolometers and a superconducting quantum interference device (SQUID) based multiplexed readout system in a space-like environment. The sensors were read out with a new SQUID-based digital frequency domain multiplexed (DfMUX) readout system that was designed to meet the low noise, low power consumption and robust autonomous operation requirements presented by a balloon experiment. The DfMUX readout system successfully tuned, monitored and operated the EBEX camera at float. This successful demonstration increases the technology readiness level of these bolometers and the associated readout system for future space missions.In preparation for the science flight, the bolometer specifications to optimize the sensitivity of the EBEX camera have been calculated and verified to provide EBEX with the required sensitivity to meet its science goals. A series of bolometer wafers were produced at University of California, Berkeley, and characterized at McGill University and University of Minnesota. From these wafers, 14 have been selected for integration for the EBEX long duration balloon flight. The multiplexing factor of the DfMUX readout system has also been demonstrated to be improved from 8 to 16. An algorithm allowing for the monitoring of the camera setup and the camera performance at float has been developed. The camera operator will use this algorithm to the camera during flight in order to optimize both the observing time of the telescope and the sensitivity of the camera. EBEX is ready to perform its long-duration science flight.EBEX ("E and B Experiment") est un télescope maintenu en haute altitude par un ballon stratosphérique. Ce télescope conçu pour détecter la polarisation de type B du rayonnement cosmologique fossile possède une résolution de 8'. Une telle détection représenterait une évidence forte de la période inflationniste de l'univers. EBEX caractérisera également la poussière galactique ainsi que l'effet de lentille gravitationnelle. Pendant un vol de 11 jours prévu pendant l'été austral 2012-2013 au dessus de l'Antarctique, EBEX opérera 872, 436 et 256 bolomètres en transition supraconductrice dans les bandes de fréquence 150, 250 et 410 GHz, respectivement. EBEX observera une région du ciel de 350 degrés carrés.Le vol d'essai de EBEX a eu lieu en juin 2009 au dessus du Nouveau-Mexique et de l'Arizona. Lors de ce vol d'essai, des bolomètres en transition supraconductrice ainsi qu'un système digital de lecture de données multiplexé en fréquence (DfMUX) avec amplificateurs supraconducteurs à interférence quantique (SQUID) ont été exploités avec succès dans un environnement spatial chacun pour la première fois. Le système DfMUX a été conçu pour permettre la lecture de bolomètres tout en respectant les exigences de produire peu de bruit électronique, de consommer peu d'énergie et de permettre une opération fiable des détecteurs. Ces exigences sont requises pour opérer un tel télescope en haute atmosphère. Lors de ce vol, le système DfMUX a mis au point et a vérifié avec succès le bon fonctionnement de la caméra de EBEX. Cette démonstration prépare le terrain pour l'utilisation des bolomètres en transition supraconductrice ainsi que le système DfMUX dans le cadre de futures missions spatiales. En préparation pour le vol scientifique de EBEX, les paramètres des bolomètres permettant d'optimiser la sensibilité de la caméra ont été calculés. La sensibilité calculée permettra à EBEX d'atteindre ses buts scientifiques. Parmi les dizaines de gaufres de détecteurs fabriquées à l'Université de la Californie, Berkeley, et caractérisées à l'Université McGill et à l'Université du Minnesota, 14 ont été sélectionnées pour l'intégration de l'instrument EBEX précédent le vol de longue durée. L'amélioration du facteur de multiplexage du système DfMUX de 8 à 16 a également été démontrée. Un algorithme permettant de surveiller la mise au point ainsi que la performance en vol de la caméra a été élaboré. L'opérateur de la caméra utilisera cet algorithme pendant le vol afin d'optimiser le temps d'observation du télescope ainsi que le sensibilité de la caméra. EBEX est prêt à entreprendre son vol scientifique

Topics: Physics - Astronomy and Astrophysics
Publisher: McGill University
Year: 2013
OAI identifier: oai:digitool.library.mcgill.ca:114446
Provided by: eScholarship@McGill
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