用于金属磁微量能计信号读出的两级SQUID 放大电路研究

李泰宇,郑亦宁,徐元星,陈滢宇,唐丽红,赵 越,王超群,谢颃星,高 波,王 镇

(1.上海大学,上海 200444;2.中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海 200050;3.中国科学院上海光学精密机械研究所,上海 201800)

1 引言

金属磁微量能计(Metallic Magnetic Calorimeter,MMC)是一种利用顺磁性材料的磁化率随温度急剧变化的特性实现光子能量测量的低温光子探测器[1,2]。它主要由金属吸收体、顺磁体温度传感器、励磁与拾波线圈构成[3]。光子入射到吸收体上之后,其能量被吸收,导致吸收体温度升高,同吸收体紧密连接的顺磁体温度传感器的温度发生变化,导致顺磁体的磁化率变化,进而使穿过拾波线圈的磁通量发生改变。拾波线圈内随即感应出脉冲电流信号,通过两级超导量子干涉器(Superconducting quantum interference device,SQUID)电路放大该信号即可实现MMC 的信号读出。两级SQUID 读出电路由初级SQUID、次级SQUID 串联阵列器(SQUID series Array,SSA)构成。初级SQUID 捕捉MMC 探头产生的磁通信号,并将其转换为电流信号后传递给SSA 放大器。次级SQUID 放大器再将电流信号转变为电压信号,并传送给室温放大电路。SQUID两级放大电路拥有高带宽,低噪声等的优点。初级SQUID 与MMC 探头直接耦合,其结构设计与性能参数对微量能计的能量分辨能力有显著影响。次级SSA 放大电路可以进一步提高信号传输的信噪比,并降低室温电路折合到低温端的噪声水平[5]。在实际应用中,为了提高读出电路输入信号的线性动态范围,SQUID 放大电路需要工作在磁通锁定环模式下[6]。研究设计了用于上述放大电路的SQUID 芯片,芯片的制备采用了中科院上海微系统与信息技术研究所超导实验室开发的Nb -03 超导数字电路加工工艺。电路性能测试在液氦环境中进行。SQUID 芯片安装于低温测试杆上并采用了双层磁屏蔽套筒包围SQUID 芯片,减少地球磁场对SQUID 芯片工作的干扰。

2 SQUID 放大器芯片的设计与性能表征

2.1 初级SQUID 设计与表征

研究介绍了初级SQUID 放大器的设计方案及其性能表征结果。初级SQUID 设计的主要目的是提高其能量分辨率。初级SQUID 输入线圈的电感应当与MMC 探头拾波线圈的电感匹配,从而最大化初级SQUID 能捕获的磁通变化[7]。除此之外,SQUID 放大器设计还需遵循通用的设计规则,通过调节回滞参数βc、屏蔽参数βl这两个重要的设计参数的数值实现。回滞参数βc体现了约瑟夫森结的阻尼程度或I-V曲线βc的回滞程度,而屏蔽参数βl影响外加磁通信号对SQUID 放大器临界超导电流的调制深度。理论上在βl=1,βc=1 时SQUID 放大器可获得最佳的能量分辨率[8]。但是由于约瑟夫森结的临界电流密度工艺参数通常是在4.2 K 温度下标定的。当器件的工作温度下降到mK 级别时,约瑟夫森结临界电流的实际值往往会偏小。

由于初级SQUID 需要贴近MMC 探头布置,暴露于外界光场之中,实验测试中无法采用完全密闭的电磁屏蔽筒来屏蔽环境电磁场对初级SQUID 的干扰。为了增强初级SQUID 的抗干扰能力,采用如图1 所示的二阶梯度计构型SQUID 环路设计。与单超导环路构型或一阶串联梯度计构型相比,二阶梯度计设计可以更好的消除环境电磁噪声带来的干扰。初级SQUID 的主要设计参数如表1 所示。实验测得的初级SQUID 电流-电压与磁通-电压特性曲线如图2 和图3 所示。

图1 初级SQUID 器件光镜下结构图Fig.1 Structral diagram of 1st-stage SQUID captured by optical microscopy

图2 初级SQUID I-V 特性曲线图Fig.2 Curves of the 1st-stage SQUID I-V

图3 初级SQUID 输入线圈V-φ 特性曲线图Fig.3 Curves of the 1st-stage SQUID input coil V-φ

图2 中,3 条曲线分别对应外加磁通为(n+1/2)φ0,(n+1/4)φ0和nφ0情况下的器件I-V特性,最大临界电流值为24 μA,临界电流调制深度约为70 %。图3 为初级SQUID 偏置电流Is等于20 μA,22 μA,24 μA时输入线圈电流对输出电压的调制曲线。实验结果显示,输入线圈对SQUID 环路的实际互感值为Min=104 pH。

2.2 次级SSA 放大电路设计

由于单一的SQUID 放大器输出电压仅为数十微伏,其跨阻增益难以将MMC 输出信号的噪声放大至室温前放的噪声基底之上。因此,需要将多个SQUID 单元串联形成SQUID 阵列放大器,以提高其输出电压[8]。假定串联阵列中所有SQUID 彼此相互独立,并都偏置在同一工作点,同时耦合相同的磁通量,那么该阵列的电学行为整体上表现得如同单个SQUID 一样,同时输出电压信号获得明显放大[9]。同样,作为SQUID,其器件设计需满足βl=1,βc＜1 的基础设计要求。为了系统磁通噪声性能的优化,设计中选择将SSA 阵列中单一SQUID 单元的电感设计为100 pH,使βl接近1,同时将βc设计为0.36 使约瑟夫森结保持在过阻尼状态,确保不产生回滞现象[5]。

结构上采用了由22 个单一SQUID 单元串联形成的SSA,每个SQUID 单元均采用相同的的一阶梯度计结构,即超导环路采用一组形状完全相同但是绕制方向相反的“8”字型垫圈结构,能够保证较高工艺成品率的同时减弱外部磁场噪声对系统电路的影响。

3 两级放大电路测试

测试实验设计使用上述初级SQUID 与SSA 放大器构建了两级放大电路。电路结构如图4 所示。初级SQUID 的偏置电流I流经一个0.5 Ω 的并联电阻Rb实现对初级SQUID 的电压偏置。次级SSA的偏置电流为Ib。Min和Mfb分别为输入线圈Lin1和反馈线圈Lfb1与初级SQUID 之间的互感。Iphib为初级SQUID 反馈线圈控制电流,Iphix为SSA 反馈线圈Lfb2的控制电流。系统工作时,MMC 探测器产生的输入信号Iin通过Lin1与初级SQUID 耦合,进而影响流过初级SQUID 的电流,该电流经过Lin2作为次级SSA 的输入电流信号,经次级SSA 放大输出至室温前放。为了使SQUID 放大电路稳定工作在噪声较低的工作点并具有较大的线性动态范围,电路需要工作在磁通锁定环模式下。在该模式下,室温控制电路产生的反馈电流信号回输到初级SQUID 的反馈线圈中,抵消MMC 探测器在初级SQUID 超导环路中产生的磁通信号,从而维持初级SQUID 的输出电流恒定。

图4 两级SQUID 放大电路结构示意图Fig.4 Schematic diagram of the two-stage SQUID readout circuit

具体测试中,选择调控合适的扫描电流Iphix范围,获得初级SQUID 的V-φ工作曲线,同时通过调整直流偏置电压Vb与Iphix将初级SQUID 调整至工作曲线斜率最大处即其工作点。随后需调整Iphib扫描范围,使整个两级放大电路出现V-φ工作曲线如图5 所示,此时调控Vb以及Iphix使整个二级放大电路系统处于工作点。在该闭环模式下,通过频谱分析仪表征了整个两级放大电路系统处于工作点处的闭环噪声水平如图6 所示,测得白噪声段磁通噪声为0.6 μΦ0/Hz1/2。

图5 两级SQUID 放大电路工作V-φ 特性曲线图Fig.5 Curve of two-stage SQUID amplifier circuit characteristic

该电路系统理论放大倍数Gtheory可以通过式(1)～式(4)获得:

式中:Vout——SSA 输出电压;Iin——输入信号电流值;Iphib——SSA 反馈线圈的控制电流;Mfb——初级SQUID 与反馈线圈互感。

因此,计算可得Gtheory为27 700 V/A。

在MMC 信号读出过程中,产生的磁信号经过拾波线圈耦合到输入线圈Lin。采用任意波形发生器自设脉冲信号模拟流经Lin的电流并对读出电路进行测试(波形发生器连接10 kΩ 输入电阻Rin产生电流信号)。测试结果如图7 所示,模拟信号脉冲信号Vin幅值为208 mV,输出电压Vout输出为570 mV,输入信号与输出信号下降沿时间常数τfall分别为0.66 ms 与0.68 ms。实际测试放大增益可由式(5)获得:

图7 两级SQUID 放大电路脉冲信号放大测试图Fig.7 Figure of the two-stage SQUID amplifier test with pulse signals

式中:Gmeasure——实测放大增益;Iin——流经Lin的输入电流。

由于输入电阻和反馈电阻值有偏差,且脉冲信号中有部分高频成分受到工作带宽的限制实测电路跨阻增益为27 400 V/A。

4 结束语

研究构建了用于MMC 信号读出的两级SQUID放大电路。该电路由采用二阶梯度计构型的初级SQUID 与一阶串联梯度计构型的次级SSA 组成。在4.2 K 环境温度下,电路在闭环工作模式中实现了27 400 V/A的跨阻增益,白噪声本底11.5 pA/Hz1/2。电路噪声接近国际先进水平[4]。如果将初级SQUID 放置在制冷机毫开温度的冷盘上,可以进一步降低SQUID 放大电路的噪声。下一步的研究将针对MMC 探测器阵列的读出需求,发展时分复用读出技术(Time Division Multiplexing,TDM)[10]。

感谢金属磁伽马射线微量能器信号读出研究项目以及SQUID 读出电子学研究项目【China National Space Administration (CNSA) under grant No.D050104】支持。感谢中国科学院上海微系统与信息技术研究所(SIMIT)任洁博士提供超导单磁通量子电路设计平台。感谢中国科学院上海微系统与信息技术研究所超导电子学实验室工艺平台(SELF)提供纳米器件制备工艺支持。