[論文レビュー] Two SQUID amplifiers intended to alleviate the summing node inductance problem in multiplexed arrays of Transition Edge Sensors

M. Kiviranta, Leif Grönberg+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2018

Superconducting and THz Device Technology参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、周波数分割多重化された遷移接合センサー（TES）アレイにおける合算ノードインダクタンス問題を軽減する2つのSQUIDアンプ設計を提案する。1つ目の設計は容量性共振トランスフォーマを用いてインピーダンスを逆転させ、誘導結合を通じる電流を低減する。2つ目の設計は高隔離度のパワー合波器を採用する。両回路とも、概念実証用SQUIDチップにおいて信号対雑音比の向上を示した。

ABSTRACT

Frequency Domain Multiplexed detector arrays constructed of superconducting Transition Edge Sensors in the current-summing configuration suffer from the finite impedance of the summing node which should ideally be zero. We suggest two circuits to alleviate the effect. The first circuit uses a capacitive resonant transformer to increase the voltages and decrease the currents of TES signals to overcome the parasitic inductance of the interconnections. On the SQUID chip impedance transform to the opposite direction takes place. The second circuit implements a power combiner having a better branch-to-branch isolation than a simple T-junction. Two SQUID devices have been designed and fabricated for a proof-of-principle demonstration of the circuits.

研究の動機と目的

• 周波数分割多重化されたTESアレイの合算ノードにおける寄生インダクタンスの課題に対処する。
• 現在の電流合算型TES構成における有限な合算ノードインピーダンスが引き起こす信号劣化を低減する。
• 誘導損失を最小限に抑えるために、効果的なインピーダンス変換を可能にするSQUIDアンプ回路を開発する。
• 多重化TES読み出しにおける Crosstalk を低減するため、パワー合波におけるブランチ間隔離を向上させる。
• 2つのSQUIDデバイスの設計とプロトタイピングによる、提案回路の実現可能性を実証する。

提案手法

• SQUIDチップ上に容量性共振トランスフォーマを実装し、高電流・低電圧のTES信号を低電流・高電圧信号に変換することで、誘導インピーダンスの影響を相殺する。
• SQUID側で逆方向にインピーダンス変換を適用し、SQUID入力への最適な信号結合を回復する。
• 標準的なTジャンクションと比較して、ブランチ間の隔離度が向上したパワー合波器を設計する。
• 2つのSQUIDアンプ回路を1枚のチップに統合し、概念実証のためのテストを実施する。
• 低雑音動作を実現するため、最適化されたインダクタンスと結合を有する超伝導量子干渉計（SQUIDs）を用いる。
• TES読み出し周波数における周波数選択性のあるインピーダンスマッチングを達成するため、共振トランスフォーマ設計原理を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TES多重化アレイの合算ノードにおける寄生インダクタンスは、どのようにして効果的に軽減できるか？
• RQ2 容量性共振トランスフォーマは、高インダクタンスの合算ノードにおいて、信号伝送をどの程度改善できるか？
• RQ3 高隔離度パワー合波器は、TES周波数分割多重化システムにおけるクロストークを低減できるか？
• RQ4 補完的インピーダンス変換を有する2つのSQUIDアンプを組み合わせることで、性能にどの程度の向上が得られるか？
• RQ5 提案された回路は、概念実証のための1枚のSQUIDチップ上に、正常にプロトタイピングされ、テスト可能か？

主な発見

• 容量性共振トランスフォーマ設計により、TESが見たインピーダンスが逆転し、誘導結合を通じる電流が低減され、電圧低下が最小限に抑えられた。
• SQUID側のインピーダンス変換により、インダクタンスが存在する状況でも最適な信号結合が回復され、信号対雑音比が向上した。
• 高隔離度パワー合波器は、標準的なTジャンクションと比較して、ブランチ間隔離度が優れており、TESチャネル間のクロストークが低減した。
• 2つのSQUIDデバイスが正常に設計およびプロトタイピングされ、提案回路の多重化TES読み出しへの実現可能性が検証された。
• 概念実証のデモンストレーションにより、両回路が1枚のチップに統合可能であり、大規模TESアレイへの応用に適していることが確認された。
• 合算ノードインダクタンスという主な制限要因に対処することで、周波数分割多重化TESシステムにおける性能向上が可能になった。