Development of resonant cavity-based microwave filters for axion detection

Resumen

Resumen de la tesis: Esta tesis doctoral aborda varias investigaciones para la detección de axiones y para la mejora de comunicaciones satelitales mediante el uso de cavidades resonantes en tecnología guía de onda. El axión es una partícula hipotética teorizada para resolver el problema CP fuerte (Charge conjugation Parity symmetry) en la cromodinámica cuántica (QCD) y que, de existir, podría ser componente de la materia oscura. En esta línea, el desarrollo de detectores axiónicos de materia oscura, comúnmente denominados haloscopios, se ha encontrado en auge en los últimos 20 años. En este trabajo se han desarrollado diversos métodos para la mejora de estos haloscopios empleando estructuras basadas en subcavidades conectadas por irises. Por otro lado, es bien sabido que el espectro electromagnético en las comunicaciones por satélite se encuentra saturado debido a la alta demanda de radiocomunicaciones hoy en día. Además, el coste de puesta en órbita de un satélite crece exponencialmente con el peso abordo de éste, cuya reducción será clave en cualquier programa espacial. Así, en esta tesis se abordan diversos diseños de filtros paso banda en guía de onda para la optimización del peso, volumen y huella abordo de los futuros satélites de comunicaciones. El espectro frecuencial barrido por la comunidad axiónica en busca de la ansiada partícula (el axión) es cada día mayor y hace que exista una alta competencia para participar en esta búsqueda con detectores de altas prestaciones. Además, las condiciones extremas a las que debe ser sometido un detector de axiones de materia oscura para que se cumplan las condiciones de detección (temperaturas criogénicas, campo magnetoestático alto, etc.) complican aún más esta tarea. Algunos de los parámetros que rigen el rendimiento de un haloscopio basado en cavidades resonantes son su volumen, factor de calidad y factor de forma. Durante la elaboración de este trabajo se han diseñado, fabricado y caracterizado diversas topologías novedosas para la creación de estos detectores, optimizando los tres parámetros mencionados, consiguiendo resultados satisfactorios. Esta tesis doctoral ha sido realizada en el marco de trabajo del grupo axiónico RADES (Relic Axion Detector Exploratory System). Se han llevado a cabo tareas de investigación para la mejora del factor de calidad en estructuras fabricadas en las primeras etapas por este grupo experimental mediante la aplicación de diversos tratamientos, como la aplicación de soldaduras. Además de la optimización de los parámetros en haloscopios, estos necesitarán escanear un espectro de frecuencias, como se ha mencionado anteriormente, para lo cual se deberá implementar sistemas de sintonía que permita el cambio de frecuencia de resonancia y otros sistemas para el ajuste del acoplamiento de entrada / salida del sistema (otro de los parámetros críticos del detector). Existen dos tipos de sintonía frecuencial, mecánica y electrónica. Para los sistemas de sintonía mecánicos, se han realizado estudios del comportamiento de los prototipos fabricados cuando estos se abren mediante un corte vertical, lo cual cambiará su frecuencia de búsqueda del axión. Por otro lado, para los sistemas de sintonía electrónicos se han desarrollado diversos diseños para la introducción de materiales ferromagnéticos y ferroeléctricos, que cambiarán la frecuencia de operación mediante el cambio de permeabilidad y permitividad del medio, respectivamente, aplicando un cambio de voltaje o temperatura. Se ha hecho un estudio mucho más extenso para estos últimos. Los sistemas electrónicos permiten evitar ciertos problemas que ocurren en los de tipo mecánico, como pueden ser fallos de movimiento a temperaturas criogénicas o la falta de escalabilidad. Para los elementos ferroeléctricos, se ha llegado a un diseño novedoso que ha aportado gran valor a la comunidad científica para la aplicación de este tipo de materiales en cualquier haloscopio. Además, se han desarrollado sistemas de acoplamiento entre subcavidades con láminas ferroeléctricas, evitando la fabricación de irises, los cuales pueden dar problemas en ciertos sistemas. Para los sistemas de ajuste de acoplamiento de entrada / salida, se ha desarrollado un prototipo preliminar que ha aportado buenos resultados experimentales. Asimismo, se han llevado a cabo otras tareas de investigación para el desarrollo de otras técnicas de mejora de haloscopios. Una de ellas es la del rechazo de resonancias no deseados cerca del modo axiónico por medio de la combinación de varios puertos coaxiales con el método phase-matching, para el cual se han realizado diversas simulaciones y fabricaciones, extrayendo resultados positivos que hacen viable dicho método. Otros estudios secundarios han sido los de la implementación de QuBits para reducir la temperatura del sistema (parámetro clave para el rendimiento), el uso de elementos HTS (High Temperature Superconductor) para aumentar el factor de calidad, el diseño de haloscopios a frecuencias en las bandas UHF y W, y el análisis electromagnético del acoplamiento axion-photon en haloscopios mediante el método BI-RME (Boundary Integral-Resonant Mode Expasion) 3D. Finalmente, como spin-off del desarrollo de haloscopios, se han realizado diversos estudios para el diseño, fabricación, caracterización y mejora de filtros paso banda para comunicaciones satelitales empleando la misma tecnología (cavidades resonantes acopladas por irises en guía de onda). Se ha han desarrollado varios filtros evanescentes basados en impresión 3D o fabricación aditiva de bajo coste, y mecanizado CNC (Computer Numerical Control). A estos filtros se les ha aplicado un sistema de sintonía de tornillos que ha permitido la mejora de la respuesta eléctrica de filtrado. Por otro lado, se ha llevado a cabo el diseño de un filtro asimétrico doblado horizontalmente para la implementación de ceros de transmisión, consiguiente un alto rechazo fuera de la banda de paso. Estos filtros son gran valor para la comunidad científica ya que permiten avanzar en el estado del arte de filtros con altas prestaciones (bajo peso, volumen y huella) para comunicaciones satelitales. http://repositorio.bib.upct.es/dspace/