CMB-S4原型探测器晶圆与读出模块首次端到端测试结果及性能表征

《IEEE Transactions on Applied Superconductivity》：First end-to-end testing of prototype CMB-S4 cold detector modules and readout chains

　　**摘要：**宇宙微波背景（CMB），即大爆炸之后发出的遗留辐射，是探测早期宇宙和暴胀理论的关键工具。宇宙微波背景第四阶段（CMB-S4）项目原计划作为一台地基望远镜巡天设备，使用超过50万个探测器绘制CMB的温度和偏振图。我们报告了CMB-S4原型探测器和读出模块首次端到端测试的测量结果。探测器晶圆由90 GHz和150 GHz的过渡边缘传感器（TES）探测器组成，通过正交模式转换器（OMT）耦合到锥形馈源，并在稀释制冷机中以100 mK温度运行。信号通过基于超导量子干涉仪（SQUID）的时分复用（TDM）系统进行读出。为支持CMB-S4对八种不同探测器晶圆的计划，低温读出电子系统采用模块化设计。我们报告了原型机的设计与性能，包括TES响应的表征、读出性能以及使用低温冷负载测得的光学响应（此处"读出"指将信号从探测器传输到外部计算机的所有设备）。我们还报告了使用卷积神经网络识别TES参数表征有效负载曲线的性能，作为TES表征软件的一部分；该软件用于表征TES以测试读出链并在测试平台上定位问题。我们讨论了大型探测器模块组件中加热的识别与散热处理。这些测试表明，CMB-S4原型探测器晶圆和读出链按预期正常运行。尽管CMB-S4将不会按计划推进，但其设计、原型制造和测试平台将有利于未来实验的发展。