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Millimeterwelle-Fortschritte geben Wissenschaft eine Erhöhung

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Unter Verwendung der Millimeterwelletechnologie, die Qualität von Experimenten auf Colliders Physik des subatomic Partikels ist zu erhöhen oder der Darstellung der kosmischen Strahlung zu ermöglichen gerade die Spitze des Eisbergs für ein wachsendes Feld der vorgerückten Vorrichtungen.

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Während die Türen zur Millimeterwelleabfragung und -erzeugung sich geöffnet haben, haben Wissenschaftler und Forscher diesen, angefangen neuen Reich der elektromagnetischen Strahlung (EM) kreativ zu verwenden, um ihre gegenwärtigen Experimente zu erhöhen und Neue zu ermöglichen.

Die Darstellung der Strahlung 95/150-GHz für die Hintergrunddarstellung Kosmisch-extragalacticpolarisation (BICEP) der Projekte gehört zu den Millimeterwelletechnologien, die ein Spritzen in der Hartwissenschaft Welt bilden. Vornehmlich setzt der relativistische schwere IonenCollider (RHIC) am Brookhaven nationalen Laboratorium auch Millimeterwelletechnologie für Zusammenstoßgenauigkeitserhöhungen ein.

Im Allgemeinen werden Millimeterwellen als EM-Strahlung zwischen den 10 von Gigahertz und den Hunderten von Gigahertz definiert. Der Kosmos, die menschlichen Körper und viele anderen Gegenstände strahlen natürlich diese Energie aus. Jetzt können Millimeterwellen zuverlässig erzeugt werden, um das späteste in den Hochgeschwindigkeitskommunikationen zu ermöglichen.

Gegenwärtige Anwendungen

Einige der interessanten Eigenschaften der Millimeterwellen werden von ihren verhältnismäßig kleinen Wellenlängen abgeleitet, die mit gegenwärtiger Telekommunikationstechnologie verglichen werden, obgleich ihre Wellenlängen verglichen mit hellen Wellen noch großes sind. Millimeterwellen können die neuen Fähigkeiten der Hochfrequenzhalbleiter dann nutzen, ohne zu müssen, von der photonischen Technologie abzuhängen.

Z.B. könnte eine Antennengruppe, die Millimeterwellen empfängt oder überträgt, auf einer integrierten Schaltung (IC) mit 10 zu den Hunderten Elementen auf einem einzelnen aufgebaut werden sterben. Diese Annäherung lässt Techniken der phased-array Antenne in Verbindung mit den Kommunikationstechnologiemethoden arbeiten und erhöht Signalvollständigkeit, um hochauflösende Toner zu produzieren.

Die resultierenden Millimeterwelletoner sind sicher, um Menschen beim Eindringen der hellen Schichten des Kleidens zu verwenden. Für Siebung geben große Gruppen oder schnell aussortieren Passagiere in einem Flughafen, diese Toner Sicherheitspersonal eine schnelle und non-intrusive Methode, um Drohungen zu identifizierenen. Mit geringfügigen Änderungen und hoch entwickeltem Wissen der kosmischen Physik, können diese Sensoren Maßstrahlung angepasst werden, die theoretisch von den Schwerkrafteffekten während Big Bangs polarisiert worden ist.

Die Gebrauchreihen der Projekte BICEP, BICEP2 und BICEP3 der Millimeterwelleantennen und -sensoren, zum zu ermitteln Grad-stufen, die B-Modus Polarisation ein, die durch Hintergrundgravitationswelleneffekte verursacht wird. Die BICEP Experimente zielen darauf ab vorauszusagen und die Polarisation des B-Modus zu überprüfen bewegt wellenartig, der Aspekte der kosmischen Inflationtheorie anzeigen kann. Diese Vorrichtungen konnten einem rudimentären Verständnis des körperlichen Prozesses für Inflation auch ermöglichen. Die Sensoren enthalten die planaren Reihen von der Doppel-polarisation, Antenne-verbunden, Übergang-Randsensor (TES) von den Bolometern, die zwischen 90 und 220 Gigahertz funktionieren. Die Doppel-polarisation Eigenschaften ermöglichen der Abfragung des a-und b-Modus Polarisationen.

Für das BICEP2 benutzt jeder Sensor 150-GHz eine Reihe von 64 Polarimetern (oder von 128 TES Detektoren). Jeder Sensor wird unter Verwendung eines Vierzoll Silikonoblateprozesses fabriziert (Feige. 1). Um a-und b-lineare Polarisationen gefangenzunehmen, benutzen die Polarimetermaßeinheiten ein Paar planare, co-locating, orthogonale phased-array Antennen sowie einen Mikrobandleiter, der Netz summiert, Mikrobandleiterbandpaßfilter und Paar TES Bolometer.

Jede Polarisation hat einen unabhängigen Mikrobandleiter, Netz und zwei Sätze der orthogonalen Schlitze zu summieren, die es verschiedene Polarisationen lokalisieren lassen (Feige. 2). Diese Lokalisierung wird erzielt, indem man einen Lichtstrahl unter Verwendung des Lichtstrahl Collimation bildet und dann zusammenhängend die Signale von den Vor-antennen mit einem superconducting Niobiummikrobandleiter kombiniert, der Netz summiert.

Zunächst werden die Signale durch einen Mikrobandleiterbandpaßfilter mit einer Bandbreite eingezogen, die am Rand schmaler als die der Antennen ist. Die Signale lassen den Bandpassfilter und den Spielraum durch den superconducting Streifen, der in einem schlängelnden widerstrebenden Mikrobandleiter beendet. Thermische Energie von der Strahlung wird unter Verwendung eines thermisch lokalisierten TES Bolometers auf der Silikonnitrid (Sünde) Insel ermittelt (Feige. 3). Ein Feld von 256 Doppel-polarisation Elementen wird als Brennebene von vier Reihen konstruiert.

Die Detektoroblaten werden mit einer Quarzantireflexionsoblate gestapelt und angebracht an einer gold-plated kupfernen Platte. Golddrahtbindungen werden benutzt, um die Detektoroblate und ein Printplattebrett (PWB) mit Signalverfeinerung Elektronik elektrisch anzuschließen. Die Signale von den Detektoren werden durch die Golddrahtbindungen bis 33 Element, Superconducting-Menge-Störungvorrichtung (KALMAR) Span des Mehrfachkopplers (MUX) vom National Institute of Standards and Technology (NIST) geliefert.

Diese Späne werden bei der gleichen Temperatur wie die Detektorreihen beibehalten. Sie benutzen einen NIST Nyquist-Drosselspule (NYQ) Span, um hochfrequentes Geräusch herauszufiltern. Demgegenüber werden Niederfrequenzgeräusche vom System mit Wechselbeziehungtechniken und von den Daten von mehreren entfernt? dunkel? KALMAR-Kanäle mit getrennten Mikrobandleiteranschlüssen zu den Antennen.

BICEP2 benutzt eine Wissenschaftgrad Fokalfläche Einfassung, die an der Station Amundsen-Scott-Südpol für optimale optische Leistung entfaltet wird. Einmal wurden die Daten vom multi-Jahr-langen Experiment, es aufdeckten die empfindlichsten Polarisationdiagramme Kosmisch-Mikrowellehintergrund (CMB) der Strahlung verarbeitet. Anstrebend Empfindlichkeitszunahmen und feiner gegliederte Bilder, entwickeln die wissenschaftlichen Gruppen, die das Projekt voranbringen, Hochgrad Detektorreihen und größere Reihenkonzepte.

Z.B. der Keck Reihen-Projektgebrauch fünf verschiedene Einfassungen mit den mehrfachen Tonern eingebettet in jeder Einfassung beim Betrieb von zwei Tonern 100-GHz. Zu Empfindlichkeit und Entschließung, die Versprechungen aufladen des Projektes BICEP3, Reihen 2056 bei 100 Gigahertz mit einer größeren Blendenöffnung und 10mal BICEP2 einzuschließen Detektor? s-optischer Durchsatz. Eine andere Weise, die zugrunde liegende Dynamik des Universums zu studieren ist zu versuchen, die Zustände des frühen Kosmos unter Verwendung der energiereichen Partikelzusammenstöße zu erzeugen und von den folgenFeuerwerken zu erlernen.

Spinnen herauf energiereiche Partikel-Physik

Eine Technik für das Verständnis der Beschaffenheit und der Geschichte unseres Universums ist, energiereiche Partikel gegeneinander zu zertrümmern, während sie mit nah-relativistischen Geschwindigkeiten reisen. Diese Zusammenstöße, die den trennenden Partikel verursachen, konnten die Details der Quantenpartikelinteraktionen möglicherweise aufdecken.

Vom besonderen Interesse zum Brookhaven nationalen Laboratorium sind Quarks? die Bestandteile innerhalb der sub-atomic Partikel. Die Wissenschaftler bei Brookhaven verwenden das RHIC, um sub-atomic Partikel, wie Neutronen und Protone, bis 99.995% zu beschleunigen die Lichtgeschwindigkeit (Feige. 4).

Um die Höchstzahl von Zusammenstößen zu erzielen, muss das RHIC eine kompakte Wolke - der belasteten Partikel positiv erzeugen. Es wendet eine Methode bekannt als stochastisches Abkühlen dieses Hilfen an, um die Rate von Zusammenstößen bis zum drei bis fünfmal zu erhöhen. Das stochastische Abkühlen produziert räumlich knapp bemessene Bündel von herum 100 Milliarde Partikeln.

Um zu garantieren dass diese Bündel zusammenstoßen, werden elektromagnetische Felder (EM) benutzt um die Partikel in zwei entgegengesetzt und die unabhängigen Lichtstrahlrohre zu steuern und zu verweisen die in vier verschiedenen Positionen schneiden. Ausführliche Daten sind erforderlich, die Physik der Zusammenstöße zu dechiffrieren. Infolgedessen tritt die Prüfung 10 Tausenden Zeiten pro Sekunde für fast Hälfte Jahr auf.

Umso viele Zusammenstöße mit solch einer Rate zu koordinieren, sind hoch entwickelte Kalibrierung und Spurhaltungsmechanismen erforderlich. Elektronik werden verwendet, um Lichtstrahlstörungen abzufragen und fristgerechte Lichtstrahlkorrektur mit der Lichtstrahl-behebenelektronik über MillimeterwelleSteuersignale herzustellen.

Um zu garantieren dass die Signale über Störungen schnell berichten und Korrekturdetails bereitstellen können, werden die Millimeterwelle-Sensoren entlang zusammengebaut Weg abzukürzen um den Signalen zu helfen die beschleunigten Partikel hinter sich zu lassen. Die Millimeterwellevorrichtung, die in diesem Prozess benutzt wurde, war ein Gewohnheit-verursachtes System, das durch HXI, eine Tochtergesellschaft der Renaissance-Technologie gebildet wurde.

HXI lieferte die kundenspezifischen Teile in nur einigen Monaten, indem es gegenwärtige 70-GHz Licht-genehmigte Technologie verwendete. Indem es es in Entsprechung umwandelte, erweiterte HXI die Bandbreite durch 5 bis 9 Gigahertz. Eine drahtlose Verbindung der digitalen Kommunikationen in eine analoge Verbindung umzuwandeln war eine der Herausforderungen, wenn sie den neuen Detektor einführte. Die Technologie erforderte bedeutende Änderungen, und die meisten der Elektronik der digitalen Kommunikationen wurde entfernt.

? Die Schwierigkeit war mit dem upconverting/downconverting und dem Sicherstellen, dass der Radio die Dynamikwerte der RHIC Systeme zusammenbrachte? besagtes Earle Stewart, HXI? s-Entwicklungmanager.

Die älteren digitalen Radios hatten lokale Leerlaufoszillatoren (LOs). Demgegenüber sind der LOs im analogen Radio für bessere Phasenstabilität und viel höhere Dynamikwerte phase-locked (DB fast 40). Um den maximalen Nutzen vom Verbindungssystem zu genießen, verwendete das RHIC Labor zwei Sätze der Richtfunkstrecken, die in den verschiedenen Teilen des RHIC in Position gebracht wurden.

Infolgedessen kann die analoge Millimeterwelleverbindung zwischen den Lichtstrahl-Sensoren und der Lichtstrahlkorrekturtechnologie schnell in Verbindung stehen? ein Abstand von ungefähr 700 M. auf diese Art, kann sie eine in hohem Grade erhöhte Zusammenstoßerfahrung zur Verfügung stellen. Unter Verwendung der Millimeterwellen in diesem Projekt anstelle von anderem Steuerung-Signal-legen Sie Technologie, wie Laser, verringerte drastisch die Kosten der Implementierung eines Korrektursystems neu. In der Theorie war die Millimeterwellesteuervorrichtung, die benutzt wurde, um den stochastischen abkühlenden Mechanismus zu erhöhen auch, in der Lage, die schwere Ionenzusammenstoßhelle durch einen Faktor von zwei zu erhöhen.

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