[논문 리뷰] Two SQUID amplifiers intended to alleviate the summing node inductance problem in multiplexed arrays of Transition Edge Sensors

M. Kiviranta, Leif Grönberg외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 22.

Superconducting and THz Device Technology참고 문헌 10인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 주파수 분할 다중화된 전이 경계 센서(TES) 어레이에서 합성 노드 인덕턴스 문제를 완화하기 위한 두 가지 SQUID 증폭기 설계를 제안한다. 첫 번째 설계는 용량성 공진 트랜스포머를 사용하여 임피던스를 반전시키고 유도성 연결을 통한 전류를 감소시킨다; 두 번째 설계는 고격리도 전력 합성기를 활용한다. 두 회로 모두 개념 증명용 SQUID 칩에서 개선된 신호 대 잡음 성능을 보여주었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 주파수 분할 다중화된 TES 어레이의 부속 인덕턴스 문제를 해결한다.
• 현재 합성 전류 방식 TES 구성에서 유한한 합성 노드 임피던스로 인한 신호 열화를 감소시킨다.
• 유도 손실을 최소화하기 위해 효과적인 임피던스 변환을 가능하게 하는 SQUID 증폭기 회로를 개발한다.
• 다중화된 TES 읽기에서 교차 채널 간섭을 줄이기 위해 전력 합성에서 지점 간 격리도를 향상시킨다.
• 두 가지 SQUID 장치의 설계 및 제작을 통해 제안된 회로의 실현 가능성을 입증한다.

제안 방법

• SQUID 칩에 용량성 공진 트랜스포머를 구현하여 고전류, 저전압 TES 신호를 저전류, 고전압 신호로 변환함으로써 유도성 임피던스를 상쇄한다.
• SQUID 측면에서 역방향으로 임피던스 변환을 적용하여 최적의 신호 커플링을 복원한다.
• 표준 T자형 연결보다 지점 간 격리도가 향상된 전력 합성기 구조를 설계하여 교차 채널 간섭을 감소시킨다.
• 개념 증명 테스트를 위해 두 SQUID 증폭기 회로를 하나의 칩에 통합한다.
• 저잡음 작동을 위해 최적화된 인덕턴스와 결합도를 갖춘 초도체 양자 간섭 장치(SQUIDs)를 활용한다.
• TES 읽기 주파수에서 주파수 선택적 임피던스 매칭을 달성하기 위해 공진 트랜스포머 설계 원리를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TES 다중화 어레이의 합성 노드에서 발생하는 부속 인덕턴스는 어떻게 효과적으로 완화할 수 있는가?
• RQ2 용량성 공진 트랜스포머는 고인덕턴스 합성 노드에서 신호 전달 성능을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 고격리도 전력 합성기는 TES 주파수 분할 다중화 시스템에서 교차 채널 간섭을 줄일 수 있는가?
• RQ4 상보적인 임피던스 변환 기능을 갖춘 이중 SQUID 증폭기의 성능 향상은 어느 정도인가?
• RQ5 제안된 회로는 개념 증명을 위한 단일 SQUID 칩에 성공적으로 제작 및 테스트할 수 있는가?

주요 결과

• 용량성 공진 트랜스포머 설계는 TES가 볼 수 있는 임피던스를 성공적으로 반전시켜 유도성 연결을 통한 전류를 감소시키고 전압 강하를 최소화하였다.
• SQUID 측면의 임피던스 변환은 최적의 신호 커플링을 복원하여 인덕턴스가 존재하는 조건에서도 신호 대 잡음비를 향상시켰다.
• 고격리도 전력 합성기는 표준 T자형 연결보다 지점 간 격리도가 뛰어나 TES 채널 간 교차 채널 간섭을 감소시켰다.
• 두 가지 SQUID 장치가 성공적으로 설계 및 제작되어 제안된 회로의 실현 가능성이 다중화 TES 읽기 응용 분야에서 입증되었다.
• 개념 증명 시연을 통해 두 회로가 하나의 칩에 통합될 수 있으며 대규모 TES 어레이에 적용 가능한 것으로 확인되었다.
• 합성 노드 인덕턴스의 핵심 제약을 해결함으로써 이 접근법은 주파수 분할 다중화된 TES 시스템에서 성능 향상을 가능하게 하였다.