用于金屬磁微量能計信號讀出的兩級SQUID 放大電路研究

李泰宇,鄭亦寧,徐元星,陳瀅宇,唐麗紅,趙 越,王超群,謝頏星,高 波,王 鎮

(1.上海大學,上海 200444;2.中國科學院上海微系統與信息技術研究所,上海 200050;3.中國科學院上海光學精密機械研究所,上海 201800)

1 引言

金屬磁微量能計(Metallic Magnetic Calorimeter,MMC)是一種利用順磁性材料的磁化率隨溫度急劇變化的特性實現光子能量測量的低溫光子探測器[1,2]。它主要由金屬吸收體、順磁體溫度傳感器、勵磁與拾波線圈構成[3]。光子入射到吸收體上之后,其能量被吸收,導致吸收體溫度升高,同吸收體緊密連接的順磁體溫度傳感器的溫度發生變化,導致順磁體的磁化率變化,進而使穿過拾波線圈的磁通量發生改變。拾波線圈內隨即感應出脈沖電流信號,通過兩級超導量子干涉器(Superconducting quantum interference device,SQUID)電路放大該信號即可實現MMC 的信號讀出。兩級SQUID 讀出電路由初級SQUID、次級SQUID 串聯陣列器(SQUID series Array,SSA)構成。初級SQUID 捕捉MMC 探頭產生的磁通信號,并將其轉換為電流信號后傳遞給SSA 放大器。次級SQUID 放大器再將電流信號轉變為電壓信號,并傳送給室溫放大電路。SQUID兩級放大電路擁有高帶寬,低噪聲等的優點。初級SQUID 與MMC 探頭直接耦合,其結構設計與性能參數對微量能計的能量分辨能力有顯著影響。次級SSA 放大電路可以進一步提高信號傳輸的信噪比,并降低室溫電路折合到低溫端的噪聲水平[5]。在實際應用中,為了提高讀出電路輸入信號的線性動態范圍,SQUID 放大電路需要工作在磁通鎖定環模式下[6]。研究設計了用于上述放大電路的SQUID 芯片,芯片的制備采用了中科院上海微系統與信息技術研究所超導實驗室開發的Nb -03 超導數字電路加工工藝。電路性能測試在液氦環境中進行。SQUID 芯片安裝于低溫測試桿上并采用了雙層磁屏蔽套筒包圍SQUID 芯片,減少地球磁場對SQUID 芯片工作的干擾。

2 SQUID 放大器芯片的設計與性能表征

2.1 初級SQUID 設計與表征

研究介紹了初級SQUID 放大器的設計方案及其性能表征結果。初級SQUID 設計的主要目的是提高其能量分辨率。初級SQUID 輸入線圈的電感應當與MMC 探頭拾波線圈的電感匹配,從而最大化初級SQUID 能捕獲的磁通變化[7]。除此之外,SQUID 放大器設計還需遵循通用的設計規則,通過調節回滯參數βc、屏蔽參數βl這兩個重要的設計參數的數值實現。回滯參數βc體現了約瑟夫森結的阻尼程度或I-V曲線βc的回滯程度,而屏蔽參數βl影響外加磁通信號對SQUID 放大器臨界超導電流的調制深度。理論上在βl=1,βc=1 時SQUID 放大器可獲得最佳的能量分辨率[8]。但是由于約瑟夫森結的臨界電流密度工藝參數通常是在4.2 K 溫度下標定的。當器件的工作溫度下降到mK 級別時,約瑟夫森結臨界電流的實際值往往會偏小。

由于初級SQUID 需要貼近MMC 探頭布置,暴露于外界光場之中,實驗測試中無法采用完全密閉的電磁屏蔽筒來屏蔽環境電磁場對初級SQUID 的干擾。為了增強初級SQUID 的抗干擾能力,采用如圖1 所示的二階梯度計構型SQUID 環路設計。與單超導環路構型或一階串聯梯度計構型相比,二階梯度計設計可以更好的消除環境電磁噪聲帶來的干擾。初級SQUID 的主要設計參數如表1 所示。實驗測得的初級SQUID 電流-電壓與磁通-電壓特性曲線如圖2 和圖3 所示。

圖1 初級SQUID 器件光鏡下結構圖Fig.1 Structral diagram of 1st-stage SQUID captured by optical microscopy

圖2 初級SQUID I-V 特性曲線圖Fig.2 Curves of the 1st-stage SQUID I-V

圖3 初級SQUID 輸入線圈V-φ 特性曲線圖Fig.3 Curves of the 1st-stage SQUID input coil V-φ

圖2 中,3 條曲線分別對應外加磁通為(n+1/2)φ0,(n+1/4)φ0和nφ0情況下的器件I-V特性,最大臨界電流值為24 μA,臨界電流調制深度約為70 %。圖3 為初級SQUID 偏置電流Is等于20 μA,22 μA,24 μA時輸入線圈電流對輸出電壓的調制曲線。實驗結果顯示,輸入線圈對SQUID 環路的實際互感值為Min=104 pH。

2.2 次級SSA 放大電路設計

由于單一的SQUID 放大器輸出電壓僅為數十微伏,其跨阻增益難以將MMC 輸出信號的噪聲放大至室溫前放的噪聲基底之上。因此,需要將多個SQUID 單元串聯形成SQUID 陣列放大器,以提高其輸出電壓[8]。假定串聯陣列中所有SQUID 彼此相互獨立,并都偏置在同一工作點,同時耦合相同的磁通量,那么該陣列的電學行為整體上表現得如同單個SQUID 一樣,同時輸出電壓信號獲得明顯放大[9]。同樣,作為SQUID,其器件設計需滿足βl=1,βc＜1 的基礎設計要求。為了系統磁通噪聲性能的優化,設計中選擇將SSA 陣列中單一SQUID 單元的電感設計為100 pH,使βl接近1,同時將βc設計為0.36 使約瑟夫森結保持在過阻尼狀態,確保不產生回滯現象[5]。

結構上采用了由22 個單一SQUID 單元串聯形成的SSA,每個SQUID 單元均采用相同的的一階梯度計結構,即超導環路采用一組形狀完全相同但是繞制方向相反的“8”字型墊圈結構,能夠保證較高工藝成品率的同時減弱外部磁場噪聲對系統電路的影響。

3 兩級放大電路測試

測試實驗設計使用上述初級SQUID 與SSA 放大器構建了兩級放大電路。電路結構如圖4 所示。初級SQUID 的偏置電流I流經一個0.5 Ω 的并聯電阻Rb實現對初級SQUID 的電壓偏置。次級SSA的偏置電流為Ib。Min和Mfb分別為輸入線圈Lin1和反饋線圈Lfb1與初級SQUID 之間的互感。Iphib為初級SQUID 反饋線圈控制電流,Iphix為SSA 反饋線圈Lfb2的控制電流。系統工作時,MMC 探測器產生的輸入信號Iin通過Lin1與初級SQUID 耦合,進而影響流過初級SQUID 的電流,該電流經過Lin2作為次級SSA 的輸入電流信號,經次級SSA 放大輸出至室溫前放。為了使SQUID 放大電路穩定工作在噪聲較低的工作點并具有較大的線性動態范圍,電路需要工作在磁通鎖定環模式下。在該模式下,室溫控制電路產生的反饋電流信號回輸到初級SQUID 的反饋線圈中,抵消MMC 探測器在初級SQUID 超導環路中產生的磁通信號,從而維持初級SQUID 的輸出電流恒定。

圖4 兩級SQUID 放大電路結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of the two-stage SQUID readout circuit

具體測試中,選擇調控合適的掃描電流Iphix范圍,獲得初級SQUID 的V-φ工作曲線,同時通過調整直流偏置電壓Vb與Iphix將初級SQUID 調整至工作曲線斜率最大處即其工作點。隨后需調整Iphib掃描范圍,使整個兩級放大電路出現V-φ工作曲線如圖5 所示,此時調控Vb以及Iphix使整個二級放大電路系統處于工作點。在該閉環模式下,通過頻譜分析儀表征了整個兩級放大電路系統處于工作點處的閉環噪聲水平如圖6 所示,測得白噪聲段磁通噪聲為0.6 μΦ0/Hz1/2。

圖5 兩級SQUID 放大電路工作V-φ 特性曲線圖Fig.5 Curve of two-stage SQUID amplifier circuit characteristic

該電路系統理論放大倍數Gtheory可以通過式(1)～式(4)獲得:

式中:Vout——SSA 輸出電壓;Iin——輸入信號電流值;Iphib——SSA 反饋線圈的控制電流;Mfb——初級SQUID 與反饋線圈互感。

因此,計算可得Gtheory為27 700 V/A。

在MMC 信號讀出過程中,產生的磁信號經過拾波線圈耦合到輸入線圈Lin。采用任意波形發生器自設脈沖信號模擬流經Lin的電流并對讀出電路進行測試(波形發生器連接10 kΩ 輸入電阻Rin產生電流信號)。測試結果如圖7 所示,模擬信號脈沖信號Vin幅值為208 mV,輸出電壓Vout輸出為570 mV,輸入信號與輸出信號下降沿時間常數τfall分別為0.66 ms 與0.68 ms。實際測試放大增益可由式(5)獲得:

圖7 兩級SQUID 放大電路脈沖信號放大測試圖Fig.7 Figure of the two-stage SQUID amplifier test with pulse signals

式中:Gmeasure——實測放大增益;Iin——流經Lin的輸入電流。

由于輸入電阻和反饋電阻值有偏差,且脈沖信號中有部分高頻成分受到工作帶寬的限制實測電路跨阻增益為27 400 V/A。

4 結束語

研究構建了用于MMC 信號讀出的兩級SQUID放大電路。該電路由采用二階梯度計構型的初級SQUID 與一階串聯梯度計構型的次級SSA 組成。在4.2 K 環境溫度下,電路在閉環工作模式中實現了27 400 V/A的跨阻增益,白噪聲本底11.5 pA/Hz1/2。電路噪聲接近國際先進水平[4]。如果將初級SQUID 放置在制冷機毫開溫度的冷盤上,可以進一步降低SQUID 放大電路的噪聲。下一步的研究將針對MMC 探測器陣列的讀出需求,發展時分復用讀出技術(Time Division Multiplexing,TDM)[10]。

感謝金屬磁伽馬射線微量能器信號讀出研究項目以及SQUID 讀出電子學研究項目【China National Space Administration (CNSA) under grant No.D050104】支持。感謝中國科學院上海微系統與信息技術研究所(SIMIT)任潔博士提供超導單磁通量子電路設計平臺。感謝中國科學院上海微系統與信息技術研究所超導電子學實驗室工藝平臺(SELF)提供納米器件制備工藝支持。