二階梯度交叉耦合超導量子干涉儀電流傳感器研制*

徐達 鐘青? 曹文會 王雪深 王仕建李勁勁? 劉建設 陳煒

1) (中國計量科學研究院, 前沿計量科學中心, 北京 102200)

2) (清華大學, 微電子學研究所, 北京 100084)

1 引 言

超導量子干涉儀(superconducting quantum interference device, SQUID)具有極高的探測靈敏度, 其等效能量分辨率接近量子極限, 是目前最靈敏的磁場傳感器和電流傳感器[1,2].因此, SQUID的應用非常廣泛, 不僅作為磁場傳感器, 用于地磁、心磁和腦磁等微弱磁場信號的探測, 還作為電流傳感器, 用于超導轉變邊緣探測器(transitionedge sensor, TES)、磁性金屬微量能器等低噪聲探測器的微弱電流信號讀出[3,4].目前, SQUID電流傳感器已發展成為TES的微弱信號讀出的唯一選擇, 與TES一起成為天文探測、粒子物理以及輻射計量等大型科學裝置的關鍵核心器件[5-7].由于TES的噪聲和阻抗很小, 與常用場效應晶體管放大器不匹配, 因此, 最初TES很少有實際應用.在2000年前后, 美國國家標準技術研究院(NIST)研究人員使用SQUID電流傳感器解決了這個問題[1],這是由于SQUID器件噪聲很小, 而且阻抗與TES匹配.隨后, NIST研究人員開始發展用于TES陣列讀出的SQUID多種復用讀出技術[8].在2010年之后, SQUID的時分復用、碼分復用和頻分復用讀出TES陣列技術逐漸成熟[3], 同時, NIST和海德堡大學又開始發展了微波復用SQUID讀出技術[9,10], 用于讀出具有更多像素的TES陣列.

對于單個TES信號讀出, 一般采用兩級SQUID讀出方案[11], 其中, 第一級采用低噪聲水平的單個SQUID, 讀取TES的微弱電流信號變化; 第二級采用SQUID陣列, 放大第一級SQUID的輸出信號.第一級SQUID通常與TES一起工作, 極易受到外界磁場的干擾, 因此, 需……