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Thèse Année : 2015

Investigation of high-sensitivity superconducting HEB mixers for Antarctic astronomy

Développement de mélangeurs HEB à supraconducteur et à haute sensibilité pour l'astronomie en Antarctique

Résumé

China is now building an astronomical observatory including a THz telescope at Dome A on the Antarctic plateau. The development of superconducting HEB (Hot Electron Bolometer) mixers, the best choice for coherent detection at frequencies beyond 1 THz, becomes increasingly crucial. We present in this manuscript the investigation of high-sensitivity superconducting HEB mixers using quasi-optical technology in the THz region. The main results of this study are as follows: 1. We measured the dielectric constant of high-resistivity silicon at 77 K and 295 K by a vector measurement system. The measured permittivity is adopted to simulate the far-field beam pattern of a quasi-optical superconducting HEB mixer. 2. We measured the far-field beam pattern of a superconducting HEB mixer by both near-field heterodyne measurement system and far-field direct detection measurement system. The measured results accord well with the simulation. We also investigated the effect of HEB bias voltages and bath temperature on the far-field beam-pattern. 3. We successfully developed a high-sensitivity superconducting HEB mixer at 1.3 THz. The uncorrected measured double-sideband noise temperature is 600 K, which is a state-of-the-art result at this frequency. We systematically characterized heterodyne performances such as RF noise, conversion gain and noise bandwidth. We also measured the frequency response and calibrated it with a new method. Furthermore, we investigated the performance of this superconducting HEB mixer integrated with different elliptical lenses. 4. Finally, we measured the noise performance and the frequency response of a HEB mixer coupled to a 0.1-1.5 THz spiral antenna, the frequency dependence of the noise temperature has also been characterized. This study has provided a further understanding of superconducting HEB mixers and allowed the realization of a HEB mixer with state-of-the-art sensitivity at 1.3 THz. Hence the results of this study can find good use in the 5 m terahertz telescope (DATE5) at Dome A.
La Chine est en train de construire un observatoire astronomique comprenant un télescope dans le domaine THz au Dome A en Antarctique. Le développement de mélangeurs HEB (Bolomètre à Electron Chaud) à supraconducteur, le meilleur choix pour la détection cohérente aux fréquences au-delà de 1 THz, devient de plus en plus crucial. Nous présentons dans ce manuscrit une étude approfondie de mélangeurs HEB à supraconducteur à haute sensibilité en utilisant la technologie quasi-optique. Les principaux résultats de cette étude sont les suivants: 1. Nous avons mesuré la constante diélectrique du silicium à haute résistivité à 77 K et 295 K en employant un système de mesure vectorielle. La permittivité mesurée est utilisée pour simuler le diagramme de rayonnement en champ lointain du mélangeur HEB en configuration quasi-optique. 2. Nous avons mesuré le diagramme de rayonnement en champ lointain d'un mélangeur HEB à supraconducteur à la fois par le système de mesure hétérodyne en champ proche et par le système de mesure de détection directe en champ lointain. Les résultats de mesure concordent bien avec la simulation. Nous avons également étudié l'effet de la tension de polarisation et de la température de bain du HEB sur le diagramme de rayonnement en champ lointain. 3. Nous avons développé avec succès un mélangeur HEB à supraconducteur à haute sensibilité à 1,3 THz. La température du bruit mesurée non corrigée à double bande latérale est de 600 K, qui se situe à l'état de l'art pour cette fréquence. Nous avons caractérisé systématiquement les performances hétérodynes du mélangeur, comme le bruit RF, le gain de conversion et la bande passante de bruit. Nous avons également mesuré et calibré la réponse en fréquence du mélangeur par un nouveau procédé. En outre, nous avons étudié la performance de ce mélangeur HEB en l'intégrant avec différentes lentilles elliptiques. 4. Enfin, nous avons mesuré la performance en bruit et la réponse en fréquence d'un mélangeur HEB couplé à une antenne spirale fonctionnant entre 0,1 et 1,5 THz, la dépendance en fréquence de la température de bruit a aussi été caractérisée. Cette étude a fourni une meilleure compréhension des mélangeurs HEB à supraconducteurs et a permis la réalisation d'un mélangeur HEB dont la sensibilité à 1,3 THz atteint l'état de l'art. Ces résultats peuvent ainsi trouver un bon usage dans le télescope THz de 5 m (DATE5) au Dome A en Antarctique.
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Citer

Kang-Min Zhou. Investigation of high-sensitivity superconducting HEB mixers for Antarctic astronomy. Astrophysics [astro-ph]. Observatoire de Paris, 2015. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02095300⟩

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