El interés por desentrañar la historia térmica del Universo infante, codificada
en la distribución espectral del fondo cósmico de microondas (FCM), ha sido
durante mucho tiempo una fuerza impulsora en la comunidad científica. Recientemente
se han propuesto nuevas misiones espaciales para detectar distorsiones
espectrales a alta frecuencia, aprovechando los recientes avances tecnológicos
que prometen una sensibilidad muy elevada (los últimos límites establecidos
para las distorsiones son de  < 1e-5 en el rango de longitudes de onda de cm).
Hasta que estos resultados estén disponibles, los experimentos en tierra pueden
ser pioneros en este campo. En este escenario, el Instituto de Astrofísica de
Canarias (IAC) propone y lidera el Tenerife Microwave Spectrometer (TMS),
un experimento basado en tierra que tomará medidas absolutas del cielo entre
10 y 20 GHz desde el Observatorio de Izaña (Tenerife). Como experimento en
tierra, se configura como banco de pruebas para diferentes conceptos tecnológicos
novedosos y métodos de separación de componentes de cielo, que podrían
después aplicarse en las misiones espaciales. Además, al cubrir un rango de
frecuencias usualmente no accesible desde el espacio, TMS contribuirá a completar
la información espectral del cielo de microondas para la nueva generación
de experimentos de FCM.
Esta tesis se ha desarrollado en el contexto del experimento TMS, y ha abordado
principalmente el desarrollo instrumental de una selección de subsistemas
clave. Aborda el diseño y la caracterización de un calibrador interno de cuerpo
negro; el diseño del sistema óptico del TMS; y, el diseño del transductor de
modos ortogonales (OMT) y del acoplador híbrido de banda ultraancha.
En la primera parte, presentamos los objetivos científicos del TMS, la estrategia
de observación y las características nominales del instrumento. El
TMS es un radio espectrómetro de altísima sensibilidad que opera a 10–20 GHz
en condiciones criogénicas (10 K). Un sistema de dos espejos en configuración
Gregoriana enfoca los fotones de FCM hacia el detector, que consiste en un
radiómetro diferencial de pseudo-correlación (detección coherente) y un espectrómetro. El receptor heterodino baja en frecuencia las señales de radiofrecuencia,
que luego son digitalizadas por el sistema de adquisición ultra-rápido de
una tarjeta FPGA. La FPGA procesa las señales detectadas, recupera la información
espectral y calcula los espectros de los parámetros de Stokes. Con un
análisis de balance de ruido, hemos estimado un ruido equivalente del receptor
de aproximadamente 8 K.
La estrategia de observación, diseñada a partir de los objetivos científicos,
incluye sondeos continuos del cielo completo, así como sondeos profundos en
ciertas regiones del cielo de interés. Se ha simulado el funcionamiento del TMS
en condiciones nominales. Hemos verificado la capacidad del TMS para reconstruir
la temperatura atmosférica y la resolución de características espectrales
de hasta 0,6mK mediante observaciones de skydip de corta duración (10 min).
También se ha verificado nuestra capacidad para medir el exceso de emisión
detectado por el instrumento ARCADE, uno de los principales objetivos científicos
de TMS. Se ha confirmado que para detectar esta radiación sin sesgos, es
necesaria una calibración y estimación diaria de la cantidad de vapor de agua
de la atmósfera. La estrategia de observación propuesta incluye observaciones
cortas de tipo skydip antes y después de la operación en modo raster, para
asegurar la correcta caracterización de la variación de la atmósfera.
En la parte central de la tesis, describimos el desarrollo y las pruebas del
calibrador interno de cuerpo negro y el diseño del sistema óptico. La carga a
4K de TMS (4KCL) proporcionará una señal de referencia ultra-estable para
realizar una comparación continua con la señal del cielo. La carga fría consiste
en un núcleo de aluminio, compuesto por una base y un lecho de elementos
piramidales revestidos con un material absorbente, y un escudo metálico. Su
diseño está optimizado para cumplir los estrictos requisitos de estabilidad y
homogeneidad térmica, y de emisividad en la banda TMS, entre 10 y 20 GHz.
Se han realizado mediciones de reflectividad especular y difusa de la carga en
un rango de frecuencias extendido entre 8–24 GHz. La reflectividad especular
es mucho mejor que el objetivo de diseño para la mayor parte de la banda de
TMS (-40 dB). Se ha comprobado tanto la integridad mecánica frente al estrés
térmico como la homogeneidad térmica del diseño. La homogeneidad térmica
de la carga se conserva incluso ante grandes desequilibrios de temperatura.
El sistema óptico del TMS está formado por la bocina de alimentación, una
ventana de vacío y un filtro de radiación infrarroja (IR), los espejos parabólico
y elíptico, y las estructuras de soporte. Se han realizado mediciones en el laboratorio
del IAC de la reflectividad del prototipo de filtro IR, para verificar que
cumple con las especificaciones requeridas. Hemos realizado simulaciones electromagnéticas
para caracterizar el comportamiento del sistema, enfocándonos
en la variación espectral del haz, la filtración en polarización y el análisis de la región de lóbulos laterales. En la banda de 10–20 GHz, el haz principal presenta
menos de 2 °, y la filtración de polarización es mejor que el 2.6% para toda la
banda. En la configuración actual, las contribuciones parásitas al ángulo sólido
total es menor que aproximadamente el 3.0 %. La estructura de soporte y la
visión directa del cielo desde la bocina son los principales contribuyentes a la
región de lóbulos laterales. Se ha confirmado la necesidad de una estructura de
apantallamiento para minimizar estos lóbulos laterales por debajo del 0,1% del
ángulo sólido total.
La última parte de la tesis está dedicada al diseño del OMT y del acoplador
híbrido de 180°. El diseño para el acoplador híbrido es un concepto novedoso de
acoplador de banda ultra-ancha basado en el diseño del OMT. El OMT se basa
en la tecnología de guía de ondas de cuatro resaltes, y presenta una geometría
altamente simétrica que permite el funcionamiento en todo el ancho de banda
de operación del TMS, entre 10–20 GHz. El diseño del OMT garantiza unas
pérdidas de retorno (-25 dB), así como niveles de polarización cruzada (-60 dB)
y aislamiento (-60 dB), óptimas. Además, se garantiza un máximo rechazo de
los modos de orden superior que se propagan en la bocina del TMS. El acoplador
híbrido presenta una buena adaptación tanto en los puertos de entrada como
de salida, así como bajas pérdidas y rizado. El diseño garantiza un mínimo
desequilibrio de fase y amplitud de salida en toda la banda de TMS.