Rev. Phys. Appl. (Paris) 9, 111-118 (1974)
DOI: 10.1051/rphysap:0197400901011100

Josephson junction detector for astronomical applications

B.T. Ulrich

Department of Astronomy and Department of Physics University of Texas, Austin, Texas 78712, USA

Abstract
A wide-band detector for the 1.0 to 1.6 mm atmospheric transmission window has been developed for astronomical observations at the McDonald Observatory 2.7 m optical telescope. For observations of continuum astronomical sources, the relevant figure of merit is the « Noise Equivalent Temperature » or δ Trms. The present δ Trms = 0.25 K for a 1 s observation. The astronomical objects which have been observed so far include the sun, moon, Venus, Jupiter, 3C 273 and the galactic center. With the present detector sensitivity, a 1 mm source of 0.7 flux units would give a signal to noise of one for a 3 h observation at the NRAO 11 m telescope. The detector uses a point contact Josephson junction, with a niobium point against tin. The junction is mounted coaxially in a multimode 5 mm diameter cylindrical cavity which is coupled by a cone to a 5 mm oversize circular wave guide leading up the neck of the dewar. The wide-band mode of operation is used, in which the incident continuum radiation from an astronomical source causes a depression of the junction critical current. The junction is biased with a 20 Ω source resistance, and the change in bias voltage due to the change in the junction critical current is measured. Two modes are used to chop the 1 mm radiation incident on the junction. For bright astronomical sources such as the sun and the moon, a total power chopper at the entrance of the wave-guide alternately opens and closes the radiometer entrance. For faint sources, a differential chopper chops between the source and adjacent sky.

Résumé
Un détecteur large bande, dans la fenêtre de transmission atmosphérique de 1,0 à 1,6 mm a été développé pour des observations astronomiques au télescope optique de 2,7 m de l'Observatoire McDonald. Pour l'observation de sources astronomiques à spectre continu, le facteur de qualité significatif, la « Température Equivalente de Bruit » est actuellement de 0,25 K pour une seconde d'observation. Parmi les objets astronomiques observés, citons le soleil, la lune, Vénus, Jupiter, 3C 273, et le centre galactique. Avec la sensibilité actuelle, une source de longueur d'onde 1 mm et de 0,7 unité de flux, donnerait un rapport signal sur bruit de 1 pour une observation de 3 h au télescope NRAO de 11 m. Le détecteur utilise une jonction Josephson constituée par une pointe de niobium en contact avec une pièce d'étain. La jonction est montée coaxialement dans une cavité cylindrique multimodes de 5 mm de diamètre, couplée par un cône à un guide d'onde circulaire de 5 mm de diamètre, débouchant au sommet du dewar. Le rayonnement incident de la source astronomique à spectre continu, provoque une diminution du courant critique de la jonction (c'est un phénomène à large bande). La jonction est polarisée par une résistance de source de 20 Ω, et on mesure la variation de la tension de polarisation due au changement du courant critique. L'interruption du rayonnement incident est fait de deux façons différentes. Pour des sources astronomiques brillantes, telles que le soleil ou la lune, un hacheur ouvre et ferme alternativement l'entrée du détecteur. Pour des sources faibles, un hacheur différentiel commute la source et le fond du ciel.

PACS
9555C - Ground-based ultraviolet, optical and infrared telescopes.
9585B - Radio, microwave (>1 mm).

Key words
Josephson junctions -- Junction detectors -- Astronomical instruments -- Millimeter wave radiation