Detectores
La tecnología de los detectores de CMB-S4 se basa en un bolómetro superconductor, un detector térmico que consiste en una estructura absorbente que está aislada térmicamente de su entorno. En esta configuración, los fotones absorbidos por la estructura calientan el dispositivo y producen una señal. Utilizamos Sensores de Borde de Transición (TES, por sus siglas en inglés) superconductores para medir estos pequeños cambios en la temperatura del bolómetro. Los detectores TES de CMB-S4 tendrán una temperatura de funcionamiento de aproximadamente 0,1 K, lo que les confiere una sensibilidad excepcional.
Los detectores de CMB-S4 también incluyen circuitos para procesar los fotones CMB antes de la detección térmica descrita anteriormente. La señal de fotones se separa en dos polarizaciones lineales utilizando un Transductor de Orto-Modo plano (OMT, por sus siglas en inglés). La señal de cada polarización se separa en dos bandas de frecuencia diferentes mediante electrónica superconductora antes de ser absorbida y detectada por el TES. Esta tecnología de detector ha sido utilizada por muchas generaciones de experimentos CMB; el desafío para el proyecto CMB-S4 es que se requieren 550,000 detectores distribuidos en aproximadamente 500 obleas, lo que es un orden de magnitud más de detectores que cualquier experimento anterior.
Lectura
El subsistema de lectura de CMB-S4 aplica un voltaje estable y preciso a cientos de bolómetros TES en las obleas del detector a 0.1 K, y registra los pequeños cambios de corriente en cada uno de los bolómetros a medida que la cámara escanea el cielo CMB. La corriente del bolómetro medida debe amplificarse dos veces, una a 0.1 K y otra a 4 K, dentro de la cámara criogénica antes de ser transportada al exterior. La corriente es amplificada por amplificadores de muy bajo ruido llamados Dispositivos Superconductores de Interferencia Cuántica (SQUID, por sus siglas en inglés). Además, dada la gran cantidad de señales a medir, el uso de cables individuales para cada bolómetro para transportar señales desde temperaturas criogénicas a temperatura ambiente se filtraría por la elevada temperatura y evitaría que la cámara funcionara fría. Por lo tanto, los SQUID están dispuestos en chips de silicio criogénico para “multiplexar” las señales a 0,1 K, como se muestra en la imagen adjunta. Esto significa que en lugar de medir cada señal de corriente del bolómetro simultáneamente a 0,1 K, el sistema realiza ciclos rápidos de uno en uno a través de aproximadamente 64 bolómetros que comparten un conjunto de cables de señal que se conectan a un SQUID 4K. Con esto se requieren menos cables y SQUID 4K para amplificar y transportar señales al cálido exterior. Una vez que las señales están fuera de la cámara, la electrónica ordinaria de temperatura ambiente conectada a las cámaras CMB-S4 las convertirá en señales digitales que se pueden transportar a los computadores a través de cables ethernet.
Módulos
CMB-S4 desplegará un orden de magnitud más de detectores que cualquier otro experimento CMB actualmente planeado. Aunque los detectores irán en una gama de telescopios y criostatos, grandes y pequeños, en su corazón contendrán módulos detectores comunes. Un módulo detector consiste en una matriz de bocinas de alimentación que acoplan la luz de microondas a los detectores, que se leen con electrónica de multiplexación que permite que muchos detectores se lean en un solo conjunto de cables de lectura.
Para verificar el diseño y el rendimiento del módulo detector, se requerirán varios ciclos de desarrollo de prototipos, pre-producción y producción. Estos ciclos de desarrollo requerirán enfriar el módulo del detector a su temperatura de funcionamiento (0,1 Kelvin), y deberán verificar el rendimiento de todos los componentes del módulo del detector cuando se integren en una sola unidad.
Para que un módulo detector sea lo suficientemente sensible, debe enfriarse a temperaturas muy bajas (0,1 Kelvin) y usar materiales superconductores tanto para los detectores como para la electrónica de lectura. La tecnología se ha utilizado en otros experimentos CMB de generaciones anteriores, sin embargo, CMB-S4 también debe escalar la fabricación, el ensamblaje y las pruebas de los componentes en más de un orden de magnitud. Esta escala representa uno de los principales desafíos del experimento CMB-S4, y es una de las motivaciones para la participación de los laboratorios nacionales del DOE (Departamento de Energía de EE.UU., por sus siglas en inglés).