[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一种低成本、可弯曲的扭绞对低温射频滤波器，采用锰铜导线缠绕铜带制成，可在保持至10 mK低温的同时实现高达90 dB的射频衰减，适用于低温恒温器中的高密度布线。该滤波器作为连续的RC传输线工作，实测结果与理论模型高度一致，实现了亚10 mK电子温度的噪声测温。实测单位长度电容为210 pF/m，电感为190 nH/m。

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.

研究动机与目标

• 为解决低温实验中笨重的单端粉末滤波器占用过多空间和消耗过多冷却功率的问题。
• 在需要抗磁感应耦合与低阻抗信号传输的实验中，实现低温恒温器内高密度扭绞对布线配置。
• 开发一种低成本、易于制造的滤波器，兼容多针连接器，并可扩展至数百根导线。
• 在保持至10 mK热平衡的同时实现高射频衰减（最高达90 dB），以支持对敏感量子测量的精确温度控制。
• 通过与理论RC传输线模型对比，验证滤波器性能。

提出的方法

• 滤波器采用紧密缠绕铜带的锰铜扭绞对，形成具有高对地及对线间电容的连续RC传输线。
• 铜带作为屏蔽层和接地平面，10微米的介电间隙确保单位长度电容较高。
• 系统建模为有损传输线，由于趋肤效应导致电阻随频率变化，使用复传播常数 γ = α + iβ = √[(R(ω) + iωL)(G(ω) + iωC)]。
• 高频电阻通过趋肤深度 δ = √(2/μ₀σω) 计算，内导体与外导体的电阻根据导体几何形状和电导率推导得出。
• 单位长度电容通过使用10 kΩ电阻和低噪声前置放大器测量约翰逊噪声谱的RC滚降特性获得，差模与共模电容分别提取。
• 利用电缆长度依赖性分离端部电容效应，得出 C_cm = 210 pF/m 和 C_dm = 51 pF/m，与同轴和板线理论极限一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 一种简单、手工制作的扭绞对滤波器能否在保持10 mK热平衡的同时实现高射频衰减（≥90 dB）？
• RQ2 该滤波器实测射频响应与理论RC传输线模型的匹配程度如何？
• RQ3 该滤波器能否在保持射频屏蔽完整性的同时支持多针连接器的高密度布线？
• RQ4 该滤波器是否能通过噪声测温实现10 mK以下的精确电子温度测量？
• RQ5 此类滤波器的电感、电容和损耗 tangent 的物理合理取值是多少？

主要发现

• 滤波器实现90 dB射频衰减，达到测量系统的噪声底限，实验数据与理论RC传输线模型高度一致。
• 实测单位长度共模电容为210 pF/m，差模电容为51 pF/m，与同轴和板线结构的理论极限一致。
• 单位长度电感测得为190 nH/m，损耗 tangent 为0.01，相对介电常数 ε_r = 3.5，与聚酰亚胺绝缘材料一致。
• 该滤波器成功支持单电子晶体管和超导隧道结的运行，观测到的器件物理行为与电子温度等于低温恒温器温度一致。
• 噪声测温证实电子温度可低至10 mK，验证了滤波器在热化样品环境方面的有效性。
• 该滤波器机械坚固，兼容多针连接器，可扩展至数百根导线，克服了SMA型粉末滤波器的局限性。