Development, modeling, deployment, and K$_\text{u}$ band operation of microwave SQUID multiplexers for microcalorimeter readout
Martin Neidig
Abstract
Supraleitende Mikrokalorimeter sind kryogene Teilchendetektoren, die eine hervorragende Energieauflösung und nahezu $100\,\%$ Quanteneffizienz bieten. Fortschritte in der Fertigung ermöglichen große Detektorarrays, wodurch geeignete Multiplex-Auslesetechniken erforderlich werden. Mikrowellen-SQUID-Multiplexing (µMUXing) stellt den aktuellen Stand der Technik dar, aber sein Rauschverhalten schränkt die Anwendungsmöglichkeiten oft ein, sodass es von größter Bedeutung ist, die bestehenden Einschränkungen zu verstehen und zu mindern. In diesem Zusammenhang zeigen wir, wie Mikrowellenverluste in der µMUX-Gleichstromschaltung den intrinsischen Qualitätsfaktor und damit das Rauschverhalten des µMUX verschlechtern, und liefern eine quantitative Beschreibung, wie sich unterschiedliche Gleichstromlasten auf die Eigenschaften des µMUX auswirken. Darüber hinaus haben wir das erste vollwertige µMUX-System für magnetische Mikrokalorimeter eingesetzt, dessen volle Funktionsfähigkeit mit einem mittleren Rauschpegel von $1{,}4\,\mathrm{µ\Phi_0/\sqrt{Hz}}$ nachgewiesen wurde, was einer Verbesserung um $44\,\%$ gegenüber früheren Systemen entspricht. Um zukünftige µMUX-Designs weiter zu optimieren, haben wir ein numerisches Modell entwickelt, das die Eigenschaften und die Leistung von µMUX für den gesamten Parameterbereich von nicht-hysteresen rf-SQUIDs beschreibt und beliebige Strom-Phasen-Relationen der Josephson-Kontakte akzeptiert. Dies ermöglicht es uns, die Auswirkungen von Inhomogenitäten der Tunnelbarriere zu quantifizieren. Diese ähneln denen eines erhöhten Abschirmungsparameters, unterscheiden sich jedoch und sind daher für eine genaue µMUX-Charakterisierung entscheidend. Schließlich demonstrieren wir einen neuartigen Ansatz für den Betrieb eines µMUX im K$_\text{u}$-Band, der ein geringeres Rauschen, höhere Zeitauflösung, größere Multiplexfaktoren und kleinere Geräteabmessungen ermöglicht. Diese Geräte sind realisierbar, stimmen gut mit unseren Modellen überein und erreichen Abmessungen, die kleiner sind als typische Mikrokalorimeterabsorber. Darüber hinaus weisen sie ein Open-Loop-Ausleserauschen von nur $0{,}27\,\mathrm{µ\Phi_0/\sqrt{Hz}}$ auf, was mit Werten vergleichbar ist, die sonst nur mit kinetisch-induktiven Wanderwellen-Verstärkern in der kryogenen Auslesekette erreicht werden.