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Scienza di elasticità in anticipo dell'onda millimetrica una spinta

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Usando la tecnologia dell'onda millimetrica per migliorare la qualità degli esperimenti sui colliders di fisica di particella subatomic o per permettere alla formazione immagine di radiazione cosmica è appena la punta dell'iceberg per un campo crescente dei dispositivi avanzati.

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Mentre i portelli al rilevamento ed alla generazione dell'onda millimetrica si sono aperti, gli scienziati ed i ricercatori hanno cominciato creativamente a usando questo nuovo regno di radiazione elettromagnetica (EM) per aumentare i loro esperimenti correnti e per permettere i nuovi.

La formazione immagine di radiazione 95/150-GHz per la formazione immagine della priorità bassa dei progetti di cosmico-extragalattico-polarizzazione (BICEP) è fra le tecnologie dell'onda millimetrica che fanno una spruzzata nel mondo di duro-scienza. Considerevolmente, il Collider pesante relativistico dello ione (RHIC) al laboratorio nazionale di Brookhaven inoltre usa la tecnologia dell'onda millimetrica per le spinte di esattezza di scontro.

Generalmente, le onde millimetriche sono definite come radiazione di EM fra i dieci del gigahertz e le centinaia di gigahertz. L'universo, i corpi umani e molti altri oggetti irradiano naturalmente questa energia. Ora, le onde millimetriche possono essere generate attendibilmente per permettere al più ritardato nelle comunicazioni ad alta velocità.

Applicazioni correnti

Alcune delle proprietà interessanti delle onde millimetriche sono derivate dalle loro relativamente piccole lunghezze d'onda confrontate alla tecnologia corrente di telecomunicazioni, anche se le loro lunghezze d'onda sono ancora grande confrontate alle onde chiare. Le onde millimetriche, allora, possono approfittare delle possibilità recenti dei semiconduttori ad alta frequenza senza dovere dipendere dalla tecnologia fotonica.

Per esempio, un allineamento di antenna che riceve o trasmette le onde millimetriche potrebbe essere sviluppato su un circuito integrato (CI) con i dieci alle centinaia di elementi su un singolo muore. Questo metodo permette che le tecniche dell'antenna phased-array funzionino insieme con i metodi di tecnologia di comunicazione, aumentanti l'integrità di segnale per produrre i toner ad alta definizione.

I toner risultanti dell'onda millimetrica sono sicuri da usare intorno agli esseri umani mentre penetrano gli strati chiari di abbigliamento. Per selezione i grandi gruppi o passeggeri velocemente di schermatura in un aeroporto, questi toner danno a personale di sicurezza un metodo veloce e non-intrusive per identificare le minacce. Con le leggere modifiche e la conoscenza specializzata di fisica cosmica, questi sensori possono adattarsi a radiazione di misura che è stata polarizzata teoricamente dagli effetti di gravità durante il Big Bang.

Gli allineamenti di uso di progetti BICEP, BICEP2 e BICEP3 delle antenne e dei sensori dell'onda millimetrica per rilevare grado-regolano, polarizzazione di B-modo indotta dagli effetti dell'onda gravitazionale della priorità bassa. Gli esperimenti di BICEP mirano a predire e verificare la polarizzazione del B-modo fluttua, che può indicare le funzioni della teoria cosmica di inflazione. Questi dispositivi anche hanno potuto permettere ad una comprensione rudimentale del procedimento fisico per inflazione. I sensori contengono gli stendimenti planari doppio-polarizzazione, antenna-accoppiati, i bolometri del transizione-bordo-sensore (TES) che funzionano fra 90 e 220 gigahertz. Le caratteristiche di doppio-polarizzazione permettono alla rilevazione sia polarizzazioni di modo di B che di A.

Per il BICEP2, ogni sensore 150-GHz utilizza un allineamento di 64 polarimetri (o di 128 rivelatori di TES). Ogni sensore è fabbricato usando un processo della lastra di silicio di quattro-pollice (fig. 1). Per bloccare sia le polarizzazioni lineari di B che di A, le unità del polarimetro utilizzano un accoppiamento delle antenne phased-array planari, co-locating, ortogonali così come una microstriscia che somma la rete, dei filtri passa-banda dalla microstriscia e di un accoppiamento dei bolometri di TES.

Ogni polarizzazione ha una microstriscia indipendente sommare la rete e due insiemi delle scanalature ortogonali, che permettono che isoli le polarizzazioni differenti (fig. 2). Questo isolamento è realizzato formando un fascio usando il collimation del fascio ed allora coerentemente unendo i segnali dalle secondario-antenne con una microstriscia superconduttrice del niobio che somma la rete.

Dopo, i segnali sono introdotti tramite un filtro passa-banda dalla microstriscia con una larghezza di banda che è marginalmente più stretta di quella delle antenne. I segnali lasciano il filtro passa-banda e la corsa attraverso la striscia superconduttrice, che termina in microstriscia resistente serpeggiante. L'energia termica proveniente dalla radiazione è rilevata per mezzo di un bolometro termicamente isolato di TES sull'isola del silicone-nitruro (peccato) (fig. 3). Un campo di 256 elementi di doppio-polarizzazione è costruito come un piano focale di quattro allineamenti.

Le cialde del rivelatore sono impilate con una cialda di antiriflessione del quarzo e sono montate su un piatto di rame gold-plated. I legami del legare dell'oro sono usati per collegare elettricamente la cialda del rivelatore e un bordo del circuito stampato (PWB) con elettronica di segnale-perfezionamento. I segnali dai rivelatori sono trasportati attraverso i legami del legare dell'oro ai 33 l'elemento, circuito integrato del multiplexor del superconduttore-quantum-interferenza-dispositivo (CALAMARO) (MUX) dal National Institute of Standards and Technology (NIST).

Questi circuiti integrati sono effettuati alla stessa temperatura degli allineamenti del rivelatore. Usano un circuito integrato dell'Nyquist-induttore del NIST (NYQ) per filtrare fuori il rumore ad alta frequenza. In opposizione, il rumore a bassa frequenza è rimosso dal sistema usando le tecniche di correlazione e dai dati da vari? scuro? Scanalature del CALAMARO con i collegamenti divisi della microstriscia alle antenne.

BICEP2 utilizza un supporto dell'focale-aereo del scienza-grado schierato alla stazione dello Amundsen-Scott polo Sud per la prestazione ottica ottimale. I dati dall'esperimento multi-anno-lungo sono stati procedati una volta, esso hanno rivelato i programmi di polarizzazione più sensibili di radiazione della cosmico-microonda-priorità bassa (CMB). Mirando agli aumenti di sensibilità ed alle immagini higher-resolution, i gruppi scientifici che avanzano il progetto stanno sviluppando gli allineamenti del rivelatore del alto-grado ed i più grandi concetti di allineamento.

Per esempio, gli usi di progetto di allineamento di Keck cinque supporti separati con i toner multipli incastonati in ogni supporto mentre facendo funzionare due toner 100-GHz. Per per amplificare sensibilità e risoluzione, le promesse di progetto BICEP3 comprendere gli allineamenti 2056 del rivelatore a 100 gigahertz con una più grande apertura e 10 volte BICEP2? rendimento ottico di s. Un altro senso studiare la dinamica di fondo dell'universo è di tentare di generare gli stati dell'universo in anticipo usando gli scontri ad alta energia della particella e di imparare dai fuochi d'artificio seguenti.

Filando sulla fisica di particella ad alta energia

Una tecnica per la comprensione la natura e della storia del nostro universo è di fracassare le particelle ad alta energia faccia a faccia mentre stanno viaggiando alle velocità vicino-relativistiche. Questi scontri, che causano la particella che separa, potrebbero potenzialmente rivelare i particolari delle interazioni della particella di quantum.

Di interesse particolare al laboratorio nazionale di Brookhaven sono i quarks? le componenti all'interno delle particelle sub-atomic. Gli scienziati a Brookhaven usano il RHIC per accelerare le particelle sub-atomic, quali i neutroni ed i protoni, a 99.995% la velocità della luce (fig. 4).

Per realizzare il numero massimo degli scontri, il RHIC deve generare positivamente una nube compatta - delle particelle caricate. Usa un metodo conosciuto come raffreddamento stocastico quel aiuti per aumentare il tasso di scontri entro tre - cinque volte. Il raffreddamento stocastico produce i mazzi appropriatamente orientati di intorno 100 miliardo particelle.

Per accertarsi che questi mazzi si scontrino, i campi elettromagnetici (EM) sono usati per controllare e dirigere le particelle in due opposte a ed i tubi indipendenti del fascio che intersecano in quattro posizioni separate. I dati dettagliati sono necessari decifrare la fisica degli scontri. Di conseguenza, provare accadono dieci di migliaia di periodi al secondo per quasi la metà di anno.

Per coordinare tanti scontri ad un tal tasso, la calibratura specializzata ed i meccanismi di inseguimento sono necessari. L'elettronica è usata per percepire gli errori del fascio e per stabilire la correzione attuale del fascio con l'elettronica dicorrezione via i segnali di controllo dell'onda millimetrica.

Per accertarsi che i segnali possano segnalare rapidamente gli errori e fornire i dati dettagliati di correzione, i sensori dell'onda millimetrica sono configurati lungo per raccorciare il percorso per aiutare i segnali per passare le particelle accelerate. Il dispositivo dell'onda millimetrica utilizzato in questo processo era un sistema abitudine-generato fatto da HXI, una filiale della tecnologia di rinascita.

HXI ha trasportato le parti su ordinazione in soltanto alcuni mesi utilizzando la tecnologia luce-conceduta una licenza a 70-GHz corrente. Convertendolo in analogo, HXI ha esteso la larghezza di banda da 5 - 9 gigahertz. Convertendo un collegamento senza fili di comunicazioni digitali in collegamento analogico era una delle sfide nell'attuazione del rivelatore nuovo. La tecnologia ha richiesto le modifiche significative e la maggior parte dell'elettronica di comunicazioni digitali è stata rimossa.

? La difficoltà era con il upconverting/downconverting ed assicurarsi che la radio abbinasse la gamma dinamica dei sistemi di RHIC? Earle detto Stewart, HXI? responsabile di sviluppo di affari di s.

Le più vecchie radio digitali hanno avute oscillatori locali non sincronizzati (LOs). In opposizione, il LOs nella radio analogica è con aggancio di fase per la migliore stabilità di fase e la gamma dinamica molto più alta (dB quasi 40). Per trarre il massimo vantaggio dal sistema di collegamento, il laboratorio di RHIC ha utilizzato due insiemi dei collegamenti radiofonici posizionati nelle parti differenti del RHIC.

Di conseguenza, il collegamento analogico dell'onda millimetrica può comunicare velocemente fra i sensori del fascio e la tecnologia di correzione del fascio? una distanza di circa 700 M. in tal modo, può fornire un'esperienza altamente aumentata di scontro. Utilizzando le onde millimetriche in questo progetto anziché l'altro controllo-segnale-trasmetta la tecnologia, quali i laser, drasticamente ha ridotto il costo di attuazione del sistema di correzione. Nella teoria, il dispositivo di controllo dell'onda millimetrica utilizzato per aumentare il meccanismo di raffreddamento stocastico inoltre poteva aumentare la luminosità pesante di scontro dello ione da un fattore di due.

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