Каким образом ALMA производит стабильные, взаимно когерентные гетеродины ~ТГц для всех своих тарелок?

Согласно этому ответу , радиотелескоп ALMA (большая миллиметровая/субмиллиметровая решетка Atacama) работает в диапазоне 10 . Это подтверждает первая наука NRAO с возможностями высокочастотной обработки ALMA .

Согласно этому сайту, диапазоны и частоты ALMA следующие:

band  wavelength   noise   frequency
        (mm)        (K)      (GHz)
 1    6.0 - 8.5     26     35 -  50
 2    3.3 - 4.5     47     65 -  90
 3    2.6 - 3.6     60     84 - 116
 4    1.8 - 2.4     82    125 - 163
 5    1.4 - 1.8    105    163 - 211
 6    1.1 - 1.4    136    211 - 275
 7    0.8 - 1.1    219    275 - 373
 8    0.6 - 0.8    292    385 - 500
 9    0.4 - 0.5    261    602 - 720
10    0.3 - 0.4    344    787 - 950

900 ГГц (0,9 ТГц) — довольно высокая частота для радиоприемника! Каждая тарелка ALMA преобразует принимаемую частоту с понижением частоты в базовую полосу частот в несколько ГГц, прежде чем они будут оцифрованы и отправлены в коррелятор для цифровой интерферометрии, но вам по-прежнему нужен сверхстабильный гетеродин (LO) для преобразования с понижением частоты и все гетеродины все блюда должны быть взаимно согласованы. Это настоящий подвиг, учитывая, что расстояние между ними может достигать десятков километров!

Вопрос: Как ALMA производит стабильные, взаимно когерентные гетеродины ~ТГц для всех своих тарелок?


Как предлагается в этом частичном ответе на вопрос, как Телескоп горизонта событий реализует интерферометрию? жесткие диски собирают цифровые данные, преобразованные с понижением частоты локальными атомными часами, вероятно, с использованием GPS в качестве вторичного эталона, а затем передаются в центральное место для последующего анализа.

Я предполагаю, что они тратят значительное количество времени, пытаясь восстановить когерентность на миллиметровом (пикосекундном) уровне, но эта возможность недоступна для ALMA, поскольку данные непрерывно записываются с большой долей 24/7, а огромный объем данные в месте, где магнитные жесткие диски не работают, огромны. Поэтому они должны получить это право в первый раз.

@ uhoh К вашему сведению, мой бывший работодатель очень гордился тем, что для этого проекта использовались их герметичные гелиевые диски: blog.westerndigital.com/helium-filled-hdd-black-hole-image

Ответы (1)

ALMA производит стабильные, взаимно когерентные генераторы гетеродинов ~ THz для всех антенн с помощью...

Использование одного центрального гетеродина и подключение его к каждой антенне по оптоволоконному кабелю! Волокно расширяется и сжимается из-за колебаний температуры, поэтому для калибровки антенны используется лазерная система. Если вы можете в это поверить, они вручную удлиняют или укорачивают волокно к каждой антенне, чтобы приспособиться к сжатию/растяжению. LO для высокочастотных наблюдений для ALMA требует фемтосекундной точности.

Проверьте этот YouTube для более подробного объяснения, чем я мог бы предоставить:

Примечания:

  1. Я думаю, что это отличный вопрос, поскольку решение проблемы синхронизации гетеродина для высокочастотных наблюдений было одной из самых сложных технических и инженерных проблем, связанных с вводом в действие всех возможностей ALMA.

  2. Создавая и проектируя интерферометры несколько десятков лет назад, мы всегда помнили, что свет проходит около фута за наносекунду. Чтобы получить фемтосекундную точность синхронизации, им приходится регулировать длину волокна с точностью до микрометра. Пикосекунды? Ни у кого нет на это времени!


Видео показывает и объясняет детали того, как гетеродинный сигнал, включенный в модулированный лазер, разделяется, а затем распределяется по оптическому волокну на каждый элемент массива. Из объяснения на странице видео:

Сложная электроника точно объединяет отдельные волны, обнаруженные ALMA, в один набор данных. Первым шагом в этом процессе является точное измерение того, где и когда антенна приняла свои волны. На каждой антенне есть часы, которые отмечают время данных с помощью своего рода атомного метронома или устройства для поддержания ритма, которое находится рядом с суперкомпьютером. Волны хронометража от этого центрального генератора направляются к каждой из антенн ALMA. На борту антенн гетеродин вводит этот хронометраж в микроскопический смеситель с волнами, проходящими через приемник, а смешанный сигнал оцифровывается и отправляется обратно по волокну в суперкомпьютер.

Сигналы хронометража, генерируемые центральным гетеродином, передаются по оптоволокну, что представляет собой дополнительную проблему. Длина оптического волокна может меняться в зависимости от температуры, но для достижения невероятного уровня точности, который требуется ALMA, длина волокна не должна изменяться более чем на одну миллионную миллиметра на протяжении всего 15-километрового расстояния до самого дальнего расстояния. антенна. Стабилизация длины оптического волокна — еще одна работа центрального гетеродина.

Отличный! Только недавно мы получили возможность вставлять видео с YouTube в вопросы, и я вижу, что вы нашли этому отличное применение! Но мы всегда должны делать то же, что и вы, и резюмировать несколько ключевых моментов в тексте, поскольку ссылки могут сгнить/сломаться со временем, а ответы должны сохранять ценность и полезность. Я дам ему часы в ближайшее время. Так что это "центрально расположенный гетеродин" :-)
@uhoh Я думаю, они должны просто назвать это осциллятором. На самом деле это не гетеродин, если он находится на расстоянии 15 км!
Если бы у них не было одномодового оптического волокна, им пришлось бы использовать либо оптические, либо несколько радиотелескопов для его распространения. Ну, я предполагаю, что этот термин относится к осциллятору, находящемуся здесь, а не в какой-то другой галактике, где находятся исходные осцилляторы (атомы или электроны).
@uhoh Просто любопытно, это ответ на твой вопрос? Или мне нужно добавить ссылку на справочный документ?
Спасибо за ваш пинг. Две вещи; 1) Мне нравится оставлять ответы на какое-то время, чтобы другие читатели сначала рассмотрели, прокомментировали и проголосовали. Принятие возвращает вопрос в активную очередь, и, если это происходит позже, а не сразу, это может по-новому взглянуть на сообщение и увеличить количество голосов за автора ответа. 2) Всегда лучше попытаться вернуть важную информацию или ключевые моменты из связанного источника обратно в сам ответ. Таким образом, если/когда ссылка порвется/испортится, ответ не потеряет ценности для будущих читателей.
@uhoh Ваш ответ имеет смысл. Я новичок, поэтому я все еще пытаюсь понять, как здесь все работает! Я воспользуюсь вашими приемами, когда наберусь смелости задать собственный вопрос!
Когда я впервые присоединился к SE много лет назад, мне пришло в голову, что спрашивать гораздо веселее, чем отвечать. Если подумать, ответы не могут быть опубликованы до тех пор, пока не будет задан заданный вопрос, поэтому именно те, кто задает вопросы, управляют содержанием и темой, которые охватывает сайт. Задавая вопросы, мы "сидим за рулем" :-) Но тсссс! никому не говори, это секрет!