• CMB
• CMB polarization
• cosmic inflation
• TES bolometer
• cryogenic sensor

Secondo la teoria dell’Inflazione l’Universo, nei primi istanti della sua storia, avrebbe subito un’espansione accelerata, moltiplicando il suo volume di un fattore ∼ e^60 in un intervallo di circa 10−34 s. A fronte di questo evento sarebbe stato generato un fondo di onde gravitazionali primordiali che, a loro volta, avrebbero lasciato nell’Universo un’impronta caratteristica: minuscole fluttuazioni della polarizzazione della Radiazione Cosmica di Fondo (CMB), detti modi-B. La verifica sperimentale di queste fluttuazioni rappresenta un convincente test della teoria dell’Inflazione. Gli esperimenti finalizzati alla ricerca dei modi-B necessitano di rivelatori per microonde estremamente sensibili, capaci di misurare variazioni di temperatura dell’ordine della frazione di µK rispetto al valor medio di 2.7 K della CMB e, allo stesso tempo, di fornire misure in bande diverse di frequenza per isolare il segnale dai fondi di origine astrofisica. La tecnologia utilizzata per rispondere a queste esigenze è quella degli array di bolometri. Un bolometro, in questo contesto, è un dispositivo che misura la potenza della radiazione per mezzo di un assorbitore e di un resistore, con resistenza dipendente dalla temperatura, entrambi collegati ad un bagno termico. Il bolometro TES, i cui test di funzionamento sono il tema di questa tesi, è un rivelatore criogenico in cui è utilizzato come resistore un superconduttore polarizzato a metà della transizione superconduttiva: la rapida variazione di resistenza, associata al vantaggio di operare a temperature criogeniche, che sopprimono il rumore termico, permette di ottenere un detector molto sensibile. Questo bolometro ha una responsivit`a, rappresentata dalla variazione di corrente a fronte di una variazione di potenza
unitaria, con valori tipici di 105-106 A/W e un rumore, espresso come NEP (Noise Equivalent Power), con valori tipici dell’ordine di decine di aW/√Hz. Questi bolometri sono mantenuti all’interno della transizione superconduttiva applicando un bias in tensione. Tale modalità operativa, nella quale il funzionamento del bolometroè caratterizzato da un feedback elettrotermico negativo, garantisce stabilit`a e controllabilità del singolo dispositivo, consentendo l’utilizzo congiunto di un elevato numero di bolometri. Il tipico segnale di un TES corrisponde ad una variazione di corrente dell’ordine del µA: tale segnale deve essere amplificato da un dispositivo a bassa impedenza di ingresso, che possa operare nel medesimo ambiente criogenico del bolometro e che abbia un rumore inferiore a quello del bolometro stesso. Poich´e i cavi che trasportano i segnali dell’array di bolometri conducono calore nell’ambiente criogenico è opportuno utilizzarne il minor numero possibile. Per questo motivo i segnali dei TES sono trasmessi utilizzando tecniche di multiplexing in frequenza.
Proprio i bolometri TES saranno utilizzati nell’esperimento LSPE (Large Scale Polarization Explorer) finalizzato alla misura della polarizzazione dei segnali di modo-B nella CMB su grande scala angolare. In LSPE un array di bolometri TES è assemblato in uno strumento denominato SWIPE (Short Wavelenght Instrument for Polarization Explorer), che opererà su pallone stratosferico.
Nel presente lavoro di tesi è presentato un insieme di misure finalizzate alla caratterizzazione di un prototipo dei bolometri che saranno utilizzati nell’esperimento LSPE/SWIPE. Nello specifico è stata misurata a quattro fili la resistenza (R) del TES in funzione della temperatura (T): questa misura ha permesso di ricavare la curva R vs T, la temperatura critica TC e la pendenza della transizione espressa come. Inoltre sono state realizzate alcune misure polarizzando il TES in tensione: sono state misurate la curva I-V (cioè corrente (I) in funzione della tensione (V )) e la potenza di transizione PSat variando la temperatura del bagno termico: da quest’ultima misuraè stata estratta la conduttanza termica G del link che collega TES e assorbitore al bagno termico. I parametri ricavati da queste misure, insieme alla conoscenza di α hanno consentito di ottenere una stima del loop gain, un parametro adimensionale che descrive l’intensità del feedback elettrotermico.
Per analizzare il comportamento in regime bolometrico il TES è stato illuminato con un LED. Il LED è stato pilotato per fornire al rivelatore una potenza costante P0 sovrapposta ad una piccola variazione oscillante δP ed è stata misurata l’ampiezza del segnale in corrente prodotto del TES. Queste misure hanno permesso di verificare che la responsività del bolometro è , come previsto dalla teoria. E stata poi` misurata la risposta del TES variando la frequenza del segnale per ricavare una prima stima della costante di tempo τ.
Infine, sempre utilizzando il LED, il TES è stato stimolato con segnali impulsati per stimare la costante di tempo τ in diversi punti di lavoro. Dalla conoscenza di τ, insieme ai parametri ricavati dalle misure precedenti, è stato possibile derivare la costante di tempo naturale τ0 e la capacità dell’assorbitore C.
I parametri misurati sono stati infine confrontati con quelli attesi a livello di progetto del bolometro e usati per stimare la sensibilità del bolometro al segnale di polarizzazione.