[論文レビュー] A Twisted Pair Cryogenic Filter

Lafe Spietz, John Teufel+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2006

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、銅テープで巻かれたマンガニン線を用いた低コストで柔軟なねじれ線構造の低温RFフィルタを提案する。このフィルタは、90 dBのRF減衰を実現しながら、低温遮音器内での高密度配線を可能にする。フィルタは連続的なRC伝送線路として動作し、理論と優れた一致を示し、10 mKまでのノイズ温度計測を可能にする。単位長あたりの静電容量は210 pF/m、自己インダクタンスは190 nH/mである。

ABSTRACT

In low temperature transport measurements, there is frequently a need to protect a device at cryogenic temperatures from thermal noise originating in warmer parts of the experiment. There are also a wide range of experiments, such as high precision transport measurements on low impedance devices, in which a twisted-pair wiring configuration is useful to eliminate magnetic pickup. Furthermore, with the rapid growth in complexity of cryogenic experiments, as in the field of quantum computing, there is a need for more filtered lines into a cryostat than are often available using the bulky low temperature filters in use today. We describe a low cost filter that provides the needed RF attenuation while allowing for tens of wires in a twisted pair configuration with an RF-tight connection to the sample holder. Our filter consists of manganin twisted pairs wrapped in copper tape with a light-tight connection to the shield of the sample holder. We demonstrate agreement of our filter with a theoretical model up to the noise floor of our measurement apparatus (90 dB). We describe operation of our filter in noise thermometry experiments down to 10 mK.

研究の動機と目的

• 低温実験における大型で単一端子の粉体フィルタの限界を克服すること。これらは過剰な空間と冷却パワーを消費する。
• 磁気カップリングへの耐性と低インピーダンス信号伝送を必要とする実験において、低温遮音器内での高密度ねじれ線構造の配線を可能とすること。
• 多ピンコネクタと互換性があり、数百本の配線にスケーラブルな低コストで容易に製造可能なフィルタを開発すること。
• 90 dBに達する高いRF減衰を実現するとともに、10 mKまで熱化する能力を維持し、感度の高い量子測定を可能とすること。
• 理論的RC伝送線路モデルとの比較と実験的ノイズ温度計測を通じて、フィルタの性能を検証すること。

提案手法

• フィルタは、マンガニン線のねじれペアを銅テープでしっかりと巻いて作られ、高い対地および線間静電容量を持つ連続的なRC伝送線路を形成する。
• 銅テープはシールドおよびグラウンドプレーンとして機能し、10 μmの誘電体ギャップにより単位長あたりの高い静電容量を確保する。
• 周波数依存の抵抗を考慮した損失を伴う伝送線路としてモデル化され、複素伝播定数 γ = α + iβ = √[(R(ω) + iωL)(G(ω) + iωC)] を用いる。
• 高周波数における抵抗は、皮膚効果を考慮し、δ = √(2/μ₀σω) で計算され、導体の幾何形状と導電率から内側および外側抵抗が導出される。
• 単位長あたりの静電容量は、10 kΩ抵抗と低ノイズ前置アンプを用いたジョンソンノイズスペクトルのRCカットオフを測定することで測定され、差動モードおよび共通モードの静電容量が別々に抽出される。
• ケーブル長依存性を用いて端部静電容量の寄与を分離し、C_cm = 210 pF/m および C_dm = 51 pF/m を得ており、理論的同軸およびスラブライン限界と一致する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 簡単で手作業で作製可能なねじれ線構造のフィルタが、10 mKでの熱化を維持しつつ、高いRF減衰（≥90 dB）を達成できるか？
• RQ2 実測されたフィルタのRF応答が理論的RC伝送線路モデルとどの程度一致するか？
• RQ3 フィルタが多ピンコネクタと併用可能な高密度配線を可能とし、RFシールドを保持できるか？
• RQ4 フィルタが10 mKまでノイズ温度計測を可能とし、正確な電子温度測定を可能にするか？
• RQ5 このようなフィルタにおける自己インダクタンス、静電容量、損失タンジェントの物理的に妥当な値は何か？

主な発見

• フィルタは、測定システムのノイズフロアに一致する90 dBのRF減衰を達成しており、実験データと理論的RC伝送線路モデルとの間で優れた一致を示している。
• 測定された単位長あたりの静電容量は、共通モードで210 pF/m、差動モードで51 pF/mであり、同軸およびスラブライン構造の理論的限界と一致している。
• 単位長あたりの自己インダクタンスは190 nH/mであり、損失タンジェントは0.01、誘電率ε_r = 3.5であり、ポリイミド絶縁体と一致している。
• フィルタは単電子トランジスタおよび超伝導トンネル接合の正常な動作を可能とし、観測されたデバイスの物理的挙動は電子温度が低温遮音器の温度と等しいことを示している。
• ノイズ温度計測により、10 mKまでの電子温度が確認され、フィルタの低温環境の熱化効果が検証された。
• フィルタは機械的に丈夫で、多ピンコネクタと互換性があり、数百本の配線にスケーラブルであり、SMAベースの粉体フィルタの限界を克服している。