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Los avances de la onda milimétrica dan a ciencia un alza

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Usando tecnología de la onda milimétrica realzar la calidad de experimentos en los colliders de la física de partícula subatómica o permitir la proyección de imagen de la radiación cósmica es apenas la punta del iceberg para un campo cada vez mayor de dispositivos avanzados.

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Mientras que las puertas a la detección y a la generación de la onda milimétrica se han abierto, los científicos y los investigadores han comenzado creativo a usar este nuevo reino de la radiación electromágnetica (EM) para realzar sus experimentos actuales y para hacer nuevos posibles.

La proyección de imagen de la radiación 95/150-GHz para la proyección de imagen del fondo de los proyectos de la cósmico-extragaláctico-polarización (BICEP) está entre las tecnologías de la onda milimétrica que hacen un chapoteo en el mundo de la duro-ciencia. Notablemente, el Collider pesado relativista del ion (RHIC) en el laboratorio nacional de Brookhaven también utiliza la tecnología de la onda milimétrica para las alzas de la exactitud de la colisión.

Generalmente, las ondas milimétricas se definen como radiación del EM entre los diez del gigahertz y los centenares de gigahertz. El cosmos, los cuerpos humanos, y muchos otros objetos irradian naturalmente esta energía. Ahora, las ondas milimétricas se pueden generar confiablemente para permitir el más último de comunicaciones de alta velocidad.

Usos actuales

Algunas de las características interesantes de ondas milimétricas se derivan de sus longitudes de onda relativamente pequeñas comparadas a la tecnología actual de las telecomunicaciones, aunque sus longitudes de onda sean todavía grandes comparadas a las ondas ligeras. Las ondas milimétricas, entonces, pueden aprovecharse de las capacidades recientes de semiconductores de alta frecuencia sin tener que depender de tecnología fotónica.

Por ejemplo, un arsenal de antena que recibe o transmite ondas milimétricas se podría emplear un circuito integrado (IC) con diez a los centenares de elementos en un solo muere. Este acercamiento permite que las técnicas de la antena phased-array trabajen conjuntamente con los métodos de la tecnología de comunicación, aumentando integridad de señal para producir los toner de alta resolución.

Los toner resultantes de la onda milimétrica son seguros de utilizar alrededor de seres humanos mientras que penetran capas ligeras de vestir. Para la investigación los grupos o los pasajeros grandes rápidamente el defender en un aeropuerto, estos toner dan a personal de seguridad un método rápido y non-intrusive para identificar amenazas. Con modificaciones leves y conocimiento sofisticado de la física cósmica, estos sensores se pueden adaptar a la radiación de la medida que se ha polarizado teóricamente de efectos de la gravedad durante Big Bang.

Los órdenes del uso de los proyectos BICEP, BICEP2, y BICEP3 de antenas y de sensores de la onda milimétrica para detectar grado-escalan, polarización del B-modo inducida por efectos de la onda gravitacional del fondo. Los experimentos de BICEP apuntan predecir y verificar la polarización del B-modo agita, que puede indicar aspectos de la teoría cósmica de la inflación. Estos dispositivos también podían permitir una comprensión rudimentaria del proceso físico para la inflación. Los sensores abarcan los órdenes planares de la dual-polarización, antena-juntados, de bolómetros del transición-borde-sensor (TES) que funcionan entre 90 y 220 gigahertz. Las características de la dual-polarización permiten la detección las polarizaciones del modo de A y de B.

Para el BICEP2, cada sensor 150-GHz utiliza un arsenal de 64 polarímetros (o de 128 detectores de TES). Cada sensor se fabrica usando un proceso de la oblea de silicio de la cuatro-pulgada (fig. 1). Para capturar polarizaciones lineares de A y de B, las unidades del polarímetro utilizan un par de antenas phased-array planares, de coimplantaciones, ortogonales así como una microcinta que suma la red, de filtros sintonizados de la microcinta, y de un par de bolómetros de TES.

Cada polarización tiene una microcinta independiente el sumar de la red y de dos sistemas de las ranuras ortogonales, que permiten que aísle diversas polarizaciones (fig. 2). Este aislamiento es alcanzado formando una viga usando la colimación de la viga y después coherente combinando las señales de las secundario-antenas con una microcinta superconductora del niobio que suma la red.

Después, las señales se alimentan a través de un filtro sintonizado de la microcinta con una anchura de banda que sea marginal más estrecha que la de las antenas. Las señales dejan el filtro sintonizado y el recorrido a través de la tira superconductora, que termina en una microcinta resistente de serpenteo. La energía termal de la radiación se detecta usando un bolómetro termalmente aislado de TES en la isla del silicio-nitruro (pecado) (fig. 3). Un campo de 256 elementos de la dual-polarización se construye como un plano focal de cuatro órdenes.

Las obleas del detector se apilan con una oblea de los antireflejos del cuarzo y se montan en una placa de cobre gold-plated. Los enlaces del alambre del oro se utilizan para conectar eléctricamente la oblea y un tablero del circuito impreso (PWB) del detector con electrónica del señal-refinamiento. Las señales de los detectores se entregan a través de los enlaces del alambre del oro a 33 elemento, viruta del multiplexor del superconductor-quántum-interferencia-dispositivo (CALAMAR) (MUX) del National Institute of Standards and Technology (NIST).

Estas virutas se mantienen en la misma temperatura que los órdenes del detector. Utilizan una viruta del Nyquist-inductor del NIST (NYQ) para filtrar hacia fuera ruido de alta frecuencia. ¿En cambio, el ruido de baja frecuencia se quita del sistema usando técnicas de la correlación y de datos de varios? ¿oscuro? Canales del CALAMAR con las conexiones separadas de la microcinta a las antenas.

BICEP2 utiliza un montaje del focal-plano del ciencia-grado desplegado en la estación de Amundsen-Scott poste del sur para el funcionamiento óptico óptimo. Los datos del experimento multi-año-largo fueron procesados una vez, él revelaron los mapas más sensibles de la polarización de la radiación del cósmico-microonda-fondo (CMB). Apuntando para los aumentos de la sensibilidad y las imágenes higher-resolution, los grupos científicos que avanzan el proyecto están desarrollando órdenes del detector del alto-grado y conceptos más grandes del arsenal.

Por ejemplo, las aplicaciones del proyecto del arsenal de Keck cinco montajes separados con los toner múltiples encajados en cada montaje mientras que funciona con dos toner 100-GHz. ¿Para alzar sensibilidad y resolución, las promesas del proyecto BICEP3 de incluir los órdenes 2056 del detector en 100 gigahertz con una abertura más grande y 10 veces BICEP2? rendimiento de procesamiento óptico de s. Otra manera de estudiar la dinámica subyacente del universo es intentar generar las condiciones del cosmos temprano usando colisiones de gran energía de la partícula y aprender de los fuegos artificiales de seguimiento.

Giro encima de la física de partícula de gran energía

Una técnica para entender la naturaleza y la historia de nuestro universo es romper partículas de gran energía cara a cara mientras que están viajando a las velocidades cercano-relativistas. Estas colisiones, que causan la partícula que hiende, podrían potencialmente revelar los detalles de las interacciones de la partícula del quántum.

¿Del interés particular para el laboratorio nacional de Brookhaven son los quarks? los componentes dentro de partículas subatómicas. Los científicos en Brookhaven utilizan el RHIC para acelerar partículas subatómicas, tales como neutrones y protones, a 99.995% la velocidad de la luz (fig. 4).

Para alcanzar el número máximo de colisiones, el RHIC necesita generar una nube compacta positivamente - de partículas cargadas. Utiliza un método conocido como enfriamiento estocástico ese las ayudas para aumentar el índice de colisiones en tres a cinco veces. El enfriamiento estocástico produce los manojos de cerca espaciados de alrededor 100 mil millones partículas.

Para asegurarse de que choquen estos manojos, los campos electromágneticos (EM) se utilizan para controlar y para ordenar las partículas en dos opuestas y las pipas independientes de la viga que se intersecan en cuatro localizaciones separadas. Los datos detallados son necesarios descifrar la física de las colisiones. Consecuentemente, la prueba ocurre los diez de millares de épocas por el segundo para casi la mitad del año.

Para coordinar tan muchas colisiones a tal tarifa, la calibración sofisticada y los mecanismos del seguimiento son necesarios. La electrónica se utiliza para detectar errores de la viga y para establecer la corrección oportuna de la viga con la electrónica de viga-corrección vía señales de control de la onda milimétrica.

Para asegurarse de que las señales puedan divulgar rápidamente errores y proporcionar los detalles de la corrección, los sensores de la onda milimétrica se configuran a lo largo de para atajar la trayectoria para ayudar a las señales para pasar las partículas aceleradas. El dispositivo de la onda milimétrica usado en este proceso era un sistema aduana-creado hecho por HXI, un subsidiario de la tecnología del renacimiento.

HXI entregó las partes de encargo en solamente algunos meses utilizando tecnología luz-autorizada 70-GHz actual. Convirtiéndolo al análogo, HXI ensanchó la anchura de banda por 5 a 9 gigahertz. Convertir un acoplamiento sin hilos de las comunicaciones digitales a un acoplamiento análogo era uno de los desafíos en la ejecución del nuevo detector. La tecnología requirió modificaciones significativas, y la mayor parte de la electrónica de comunicaciones digitales fue quitada.

¿? ¿La dificultad estaba con el upconverting/downconverting y cerciorarse de que la radio emparejó el rango dinámico de los sistemas de RHIC? ¿Earle dicho Stewart, HXI? encargado del desarrollo de negocios de s.

Las radios digitales más viejas tenían osciladores locales free-running (LOs). En cambio, el LOs en la radio análoga es sincronizado en fase para una mejor estabilidad y un rango dinámico mucho más alto (de la fase DB casi 40). Para cosechar la ventaja máxima del sistema del acoplamiento, el laboratorio de RHIC utilizó dos sistemas de enlaces por radio colocados en diversas partes del RHIC.

¿Consecuentemente, el acoplamiento análogo de la onda milimétrica puede comunicar rápidamente entre los sensores de la viga y la tecnología de la corrección de la viga? una distancia de aproximadamente 700 M. al hacer eso, puede proporcionar una experiencia altamente realzada de la colisión. Usando ondas milimétricas en este proyecto en vez de otro control-señal-retransmita la tecnología, tal como lasers, redujo drástico el coste de ejecutar de un sistema de la corrección. En teoría, el dispositivo de control de la onda milimétrica usado para realzar el mecanismo de enfriamiento estocástico también podía aumentar la luminosidad pesada de la colisión del ion en un factor de dos.

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