JP6604535B2 - Frequency multiplex readout device - Google Patents
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Description
本発明は周波数多重読出装置に係り、特に大規模超伝導検出器アレイのための周波数多重読出装置に関する。 The present invention relates to frequency multiplex readout devices, and more particularly to frequency multiplex readout devices for large scale superconducting detector arrays.
超伝導-常伝導間の転移に伴う急激な抵抗の温度依存性を利用した究極の低雑音性を誇る熱型検出器である超伝導転移端検出器(TES;Transition Edge Sensor)は、(i)X線・γ線分析(エネルギー分散分光)において半導体検出器より1桁以上優れたエネルギー分解能、(ii)近赤外領域の単一光子検出における100%近い量子効率と200ns以下の応答時間、(iii)ミリ波・サブミリ波領域で冷却半導体ボロメータに比べて格段に優れた低雑音性と高速応答性、をそれぞれ実証してきた。また、2014年春には、宇宙マイクロ波背景放射のTESによる偏光観測の結果、宇宙創成期に生成された重力波を発見した可能性があるとのニュースが世界を賑わせた。 The superconducting transition edge sensor (TES), which is a thermal detector that boasts the ultimate low-noise characteristics using the temperature dependence of the abrupt resistance associated with the transition between superconducting and normal conducting, is (i ) Energy resolution more than an order of magnitude better than semiconductor detectors in X-ray and γ-ray analysis (energy dispersive spectroscopy), (ii) Nearly 100% quantum efficiency and response time of less than 200ns for single photon detection in the near infrared region, (Iii) In the millimeter-wave and submillimeter-wave regions, we have demonstrated low noise and high-speed response, which are far superior to cooling semiconductor bolometers. Also, in the spring of 2014, news that there was a possibility of discovering gravitational waves generated during the creation of the universe as a result of polarization observation by cosmic microwave background radiation with TES was popular in the world.
しかし、TESは室温検出器に比べ検出面積(受光面積)が小さくイメージング機能に劣る。ただし、TESはエネルギーEの光子入射に対し、熱容量Cvが小さいTESほど、温度上昇ΔT(=E/Cv)が大きいという特性を有する。そこで、低Cvすなわち微小な受光面積のTESを多数並べて検出面積を増大させた多画素化により、低雑音・高速応答性と検出面積増大の両立とが初めて可能となり、空間分解能も向上する。 However, TES has a smaller detection area (light receiving area) than a room temperature detector and is inferior in imaging function. However, TES has a characteristic that the temperature increase ΔT (= E / Cv) is larger as the TES having a smaller heat capacity Cv with respect to the photon incidence of energy E. Thus, by increasing the detection area by arranging a large number of TES having a low Cv, that is, a small light receiving area, it becomes possible for the first time to achieve both low noise / high-speed response and increase in the detection area, and also improve the spatial resolution.
一方、TESの多画素化は、極低温環境下で動作するTESから室温環境下で動作する信号処理系への信号取り出し用配線数が増大し、それに伴い室温から極低温への配線を経由した熱流入の増加をもたらす。試料を配置する極低温ステージ温度は、通例複数設けられる。TES用冷却系の場合、TESを0.1Kステージに、後段の極低温読出デバイスを4Kステージに置くことが多い。超伝導検出器システムの体積・消費電力・価格を支配する極低温冷凍機の冷却効率は、10-7%@0.1K、10-2%@4Kと極めて低い。例えばX線TESの典型的動作温度0.1Kで10μWの排熱能力を持つ冷凍機は、三相交流200V電源で9kWの消費電力、縦2000mm、横600mm、高さ1000mm程度の体積、及び約3000万円の価格であり、先端計測分析器としての普及・製品化の壁となる。 On the other hand, the increase in the number of pixels of TES has led to an increase in the number of signal extraction wires from a TES operating in a cryogenic environment to a signal processing system operating in a room temperature environment, and accordingly, via a wiring from room temperature to cryogenic temperature. Increases heat inflow. Usually, a plurality of cryogenic stage temperatures at which the sample is arranged are provided. In the case of the TES cooling system, the TES is often placed on the 0.1K stage, and the subsequent cryogenic reading device is placed on the 4K stage. The cooling efficiency of the cryogenic refrigerator that dominates the volume, power consumption and price of the superconducting detector system is as low as 10 −7 %@0.1K and 10 −2 % @ 4K. For example, a refrigerator having an exhaust heat capacity of 10 μW at a typical operating temperature of 0.1 K of X-ray TES has a power consumption of 9 kW with a three-phase AC 200 V power source, a volume of about 2000 mm in length, 600 mm in width, about 1000 mm in height, The price is 30 million yen, and it becomes a barrier to popularization and commercialization as an advanced measurement analyzer.
そこで、多数のTESからの信号を多重化して少ない配線数で信号を読み出すことで熱流入を減らす信号多重化技術が、(i)TESの高い性能、(ii)受光面積増大・イメージング機能拡充、(iii)超伝導検出器システムの小型化・低消費電力化・低価格化、という一見相反する要求を満たす上で、多画素化したTESの特性均一化と並んで、極めて重要となる。信号多重化方法には時間多重法と周波数多重法とがあるが、ここでは、多重化数に伴い信号対雑音比が低下しない周波数多重法を取り上げる。 Therefore, signal multiplexing technology that reduces heat inflow by multiplexing signals from a large number of TESs and reading out signals with a small number of wires is (i) high performance of TES, (ii) increase of light receiving area and expansion of imaging function, (Iii) In order to satisfy the seemingly contradictory requirements of downsizing, low power consumption, and low price of a superconducting detector system, it is extremely important along with uniformizing the characteristics of a multi-pixel TES. The signal multiplexing method includes a time multiplexing method and a frequency multiplexing method. Here, a frequency multiplexing method in which the signal-to-noise ratio does not decrease with the number of multiplexing is taken up.
近年、数GHzのマイクロ波帯共振を用いる周波数多重読出装置が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。図8は、上記の提案による周波数多重読出装置の要部の一例の構成図を示す。図8において、周波数多重読出装置の要部である多重化チップ50は、検出チップ51と読出チップ52とがM個のコイル541〜54M(図8では3個のみ図示)で接続された構成であり、マイクロ波信号源64からのマイクロ波帯の周波数分割多重信号が入力される。マイクロ波信号源64は、M個の周波数信号からなる周波数分割多重信号を発生する。なお、周波数多重読出装置は、上記の多重化チップ50の入力側にベースバンド帯信号をマイクロ波帯信号にアップコンバートする変調部、出力側にはマイクロ波帯信号をベースバンド信号にダウンコンバートする復調部と復調信号の信号解析を行う解析部を有する。
In recent years, a frequency multiplex reading apparatus using microwave band resonance of several GHz has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1). FIG. 8 shows a configuration diagram of an example of a main part of the frequency multiplex reading apparatus proposed above. In FIG. 8, a multiplexing chip 50, which is a main part of the frequency multiplex reading device, has a configuration in which a
図8において、検出チップ51は、M個(図8はそのうちの3個のみ図示)のTES531〜533等からなり、それぞれには抵抗Rを介して直流信号源65から直流バイアス電流が供給されている。TES531〜53Mは、外部の検出対象からの光子等のエネルギーあるいは電磁波振幅を検出する。読出チップ52は、入力コイル551〜55M、コイル561〜56M、ジョセフソン接合571〜57M、線路581〜58M、キャパシタ591〜59M、線路610、611〜61Mからなる。
In FIG. 8, the
ここで、読出チップ52内の、j番目(j=1〜M:以下同じ)のコイル56jはジョセフソン接合57jとともに超伝導閉回路である超伝導量子干渉素子(SQUID;Superconducting Quantum Interference Devise)を構成し、また入力コイル55jと誘導結合されている。そのSQUIDの出力端は線路58j、キャパシタ59jを直列に介して線路61(j−1)と61jとの接続点に接続されている。線路61Mは高電子移動度トランジスタ(HEMT;High Electron Mobility Transistor)により構成された増幅器(以下、HEMT増幅器という)62及び線路63を介して外部に接続されている。多重化チップ50、HEMT増幅器62は、極低温冷却装置60に収容されている。
Here, the j-th (j = 1 to M: the same applies hereinafter) coil 56j in the
入力コイル55jと、コイル56j及びジョセフソン接合57jからなるSQUIDと、線路58j及びキャパシタ59jとは、j番目の共振回路を構成している。このj番目の共振回路の共振周波数は、マイクロ波信号発生源64からのマイクロ波帯の周波数分割多重信号を構成するM個の周波数信号のうちのj番目の周波数信号と同一に設定されている。これにより、多重化チップ50は、j番目のTES53jの検出信号に応じてj番目の共振回路の共振周波数が僅かな周波数幅内で変化し、これによりマイクロ波信号発生源64からのマイクロ波帯の周波数分割多重信号中のj番目の周波数信号の位相及び振幅を変化させて出力する。
The input coil 55j, the SQUID composed of the coil 56j and the Josephson junction 57j, the line 58j and the capacitor 59j constitute a jth resonance circuit. The resonance frequency of the j-th resonance circuit is set to be the same as the j-th frequency signal among the M frequency signals constituting the frequency division multiplexed signal in the microwave band from the microwave
図9(a)は、多重化チップ50から出力される周波数多重信号の周波数対透過率特性を示し、同図(b)は同図(a)に丸印で示す部分を拡大した周波数対透過率特性を示す。図9(a)はM=16の例であり、16個の周波数でディップを有する周波数分割多重信号(いわゆる周波数コム信号)中の例えば2番目(j=2)のディップの周波数信号は同図(b)に示すように、2番目のTESからの信号に応じてその位相及び振幅が変化する。2番目のTESからの信号が弱くなるほど、2番目のディップの周波数信号の位相及び振幅は、図9(b)にI、II、IIIで示すように変化する。この2番目のディップの周波数信号の位相及び振幅は、後段の信号処理器により復調され、それに基づきコンピュータを用いて検出結果が解析処理される。 FIG. 9 (a) shows the frequency vs. transmittance characteristics of the frequency multiplexed signal output from the multiplexing chip 50, and FIG. 9 (b) shows the frequency vs. transmission obtained by enlarging the part indicated by a circle in FIG. The rate characteristic is shown. FIG. 9A shows an example in which M = 16, and the frequency signal of the second (j = 2) dip in the frequency division multiplexed signal (so-called frequency comb signal) having dip at 16 frequencies is shown in FIG. As shown in (b), the phase and amplitude change according to the signal from the second TES. As the signal from the second TES becomes weaker, the phase and amplitude of the frequency signal of the second dip change as indicated by I, II, and III in FIG. 9B. The phase and amplitude of the frequency signal of the second dip are demodulated by a signal processor at the subsequent stage, and based on this, the detection result is analyzed using a computer.
ここで、読出信号線一対(往復)あたりに多重化可能な周波数分割多重信号の原理的画素数Mpは、次式で与えられることが知られている。
Mp=B/(κD) (1)
ただし、上式中、Bは読出信号線の帯域(読出回路で決まる)、Dは1画素信号の帯域(検出対象で決まる)、κは隣接共振周波数間隔とDの比(なお、画素間の漏話が−30dB未満を満たす条件は非特許文献1によれば、κ>10)である。
Here, it is known that the fundamental number of pixels M p of a frequency division multiplexed signal that can be multiplexed per pair of readout signal lines (round trip) is given by the following equation.
M p = B / (κD) (1)
However, in the above equation, B is the band of the readout signal line (determined by the readout circuit), D is the band of one pixel signal (determined by the detection target), and κ is the ratio of the adjacent resonance frequency interval to D (note that between pixels) According to
従来より周知の第一世代の超伝導検出器の周波数多重読出装置では、読出信号帯域Bは約5MHz、1画素信号帯域100kHzの計測対象を計測する場合、(1)式から原理的画素数Mpは、約5程度に過ぎない。これに対し、図9及び図10と共に説明した読出しにマイクロ波を用いる第二世代の超伝導検出器の周波数多重読出装置では、極低温環境下で多重化を司る多重化チップ50の後段に配置されるHEMT増幅器62の帯域Bが例えば、4GHz≦B≦10GHzであるので、(1)式から原理的画素数Mpは上記の第一世代の周波数多重読出装置のそれの2〜3桁も増大させることができ、多画素化が期待できる。
In the frequency multiplex readout device of the first generation superconducting detector, which is well known in the art, when measuring a measurement target having a readout signal band B of about 5 MHz and a 1-pixel signal band of 100 kHz, the fundamental number of pixels M can be calculated from equation (1). p is only about 5. On the other hand, the second-generation superconducting detector frequency multiplex readout apparatus using microwaves for readout explained in conjunction with FIGS. 9 and 10 is arranged at the subsequent stage of the multiplexing chip 50 that performs multiplexing in a cryogenic environment. Since the band B of the
また、共振器長は一般的に共振周波数に反比例して低下するので、第二世代の周波数多重読出装置のように共振周波数が数GHzで動作させる共振器を有する場合、その共振器の寸法を共振周波数が数MHzである上記第一世代の周波数多重読出装置より3桁程度低減させることができることから、集積回路技術に基づくチップ上の超伝導薄膜による大規模集積化の可能性を拓くとともに、作製した共振器の特性の制御性・均一性の点で有利である。更に、第二世代の周波数多重読出装置によれば、マイクロ波帯で動作する多重化チップ内のTES信号読出しに用いる素子の動作モード変更により、電力損失(よって、極低温での発熱)がTESの消費電力より小さい一画素あたり数ピコワット以下に抑制でき、かつ、直流駆動のTESからの信号を周波数分割多重できるという特長も得られる。 In addition, since the resonator length generally decreases in inverse proportion to the resonance frequency, when a resonator that operates at a resonance frequency of several GHz is provided as in the second-generation frequency multiplex readout device, the size of the resonator is reduced. Since the resonance frequency can be reduced by about three orders of magnitude compared with the first generation frequency multiplex readout device having a frequency of several MHz, the possibility of large-scale integration by superconducting thin film on a chip based on integrated circuit technology, This is advantageous in terms of controllability and uniformity of the characteristics of the manufactured resonator. Furthermore, according to the second generation frequency multiplex readout device, the power loss (and hence the heat generation at the very low temperature) is reduced by changing the operation mode of the element used for reading out the TES signal in the multiplexing chip operating in the microwave band. The power consumption can be reduced to several picowatts per pixel, which is smaller than the power consumption, and the signal from the DC drive TES can be frequency-division multiplexed.
しかしながら、第二世代の周波数多重読出装置によれば、多重化チップ50の後段に配置される、室温環境下で動作する後述の信号処理器(図8には図示せず)の帯域が、例えば14ビットの市販品では約0.25GHzしかないため、HEMT増幅器62の帯域Bが広帯域(前述したように、4GHz≦B≦10GHz)であるにも拘らず、周波数多重読出装置の読出信号の帯域は信号処理器を構成するA/D変換部の帯域幅である約0.25GHzに制約されてしまう。このため、(1)式における1画素信号の帯域Dを100kHz、隣接共振周波数間隔とDとの比κを「10」とすると、(1)式から原理的画素数Mpは、約250程度となる。このことから、14ビットA/D変換部に相当するダイナミックレンジを必要とする検出対象に対して、原理的画素数Mpは高々「250」しか得られず、第一世代の周波数多重読出装置に比べて50倍程度の画素数増加を図れる一方で、第二世代の周波数多重読出装置の原理的な画素数の僅か1/16から1/40程度の増加しか図れない。 However, according to the second generation frequency multiplex reading device, the band of a signal processor (not shown in FIG. 8), which is disposed in the subsequent stage of the multiplexing chip 50 and operates in a room temperature environment, is, for example, Since the 14-bit commercial product has only about 0.25 GHz, the band of the read signal of the frequency multiplex reading device is not limited to the band B of the HEMT amplifier 62 (4 GHz ≦ B ≦ 10 GHz as described above). Is limited to about 0.25 GHz, which is the bandwidth of the A / D conversion unit constituting the signal processor. Therefore, when the band D of one pixel signal in the equation (1) is 100 kHz and the ratio κ between adjacent resonance frequency intervals and D is “10”, the theoretical pixel number M p is about 250 from the equation (1). It becomes. From this, for a detection target that requires a dynamic range corresponding to a 14-bit A / D conversion unit, the theoretical number of pixels M p can be obtained only at most “250”. The number of pixels can be increased by a factor of about 50 times, while the theoretical number of pixels of the second generation frequency multiplex readout device can be increased by only 1/16 to 1/40.
このため、例えば欧米の数千画素超伝導検出器カメラの開発プロジェクトでは、図10に示したように、極低温環境下の多重化チップ及び室温環境化の信号処理部の系統をN系統並列に設け、個別の各系統別のK画素の画素信号を多重化し、全系統でK画素のN倍の画素信号を読み出す構成とせざるを得ない。すなわち、図10に示す周波数多重読出装置は、任意波形発生器711〜71Nを備え、更にN個の任意波形発生器711〜71Nのうちi番目(iは1〜N;以下同じ)の任意波形発生器71iの出力側には、局部発振器73i及び周波数変換器72iからなるアップコンバータ、レベル減衰器74i、多重化チップ50i、サーキュレータ75i、HEMT増幅器62i、増幅器76i、局部発振器73i及び周波数変換器77iからなるダウンコンバータ、及び信号処理器78iとが縦続に接続され、全部でN系統並列に接続された構成である。
For this reason, for example, in a development project of several thousand pixel superconducting detector cameras in Europe and the United States, as shown in FIG. 10, the multiplexing chip in the cryogenic environment and the signal processing system in the room temperature environment are arranged in parallel in N systems. It is unavoidable to multiplex the pixel signals of K pixels for each individual system and to read out pixel signals N times as many as K pixels in all systems. That is, the frequency multiplexing readout apparatus shown in FIG. 10 includes
任意波形発生器711〜71Nの各々は、同一振幅の任意波形のベースバンド帯のM個の周波数信号からなる周波数分割多重信号を発生する。この周波数分割多重信号は、図2(a)に示すようなM個の周波数において線スペクトルを有する、いわゆる周波数コム(櫛)信号である。また、任意波形発生器711〜71Nの全体では、互いに周波数が異なるN個の周波数コム信号を発生する。
Each of the
局部発振器731〜73Nは同一の局部発振周波数fcを発振出力する。N個のアップコンバータは、それぞれ入力されるベースバンド帯の周波数分割多重信号を、例えば数GHzのマイクロ波帯にアップコンバートして、それぞれ図8に示した構成の多重化チップ501〜50Nに供給する。レベル減衰器741〜74N、多重化チップ501〜50N、サーキュレータ751〜75N、及びHEMT増幅器621〜62Nは、同一の極低温冷却装置(クライオスタット)60内に収容されて極低温環境下で動作する。それ以外は室温環境下で動作する。信号処理器781〜78Nは、ダウンコンバートされたベースバンド帯の周波数分割多重信号に対して、互いに独立して高速フーリエ変換(FFT;Fast Fourier Transform)により復調動作を行う。コンピュータ(PC)79は信号処理器781〜78Nからのデジタル信号を解析して、周波数分割多重信号を構成するN×M個の周波数信号のそれぞれの振幅及び位相を別々に検出する。
The
ところが、このN系統の構成の周波数多重読出装置は極低温冷却装置60とその外部の室温環境下で動作させる、N系統のアップコンバータ及びN系統のダウンコンバータとの間の信号線(マイクロ波同軸線)の数は入出力計2N本となる。このため、N=40に対する検出器ステージ(≒0.1K)への信号線を経由した熱流入電力は、信号線に極細(外径0.86mm)かつ熱伝導の悪いキュプロニッケル(CuNi)同軸線を用いても数μWにも及ぶ。更に、極低温冷却装置60の4Kステージに置く半導体増幅器群の発熱(≒20mW/個)もN倍となる。これらは、天文・宇宙背景放射、暗黒物質の観測等、大型・大電力冷凍機を前提とする欧米の基礎科学プロジェクトでは許容されても、汎用型超伝導分析機器に適合する小型・低消費電力・低廉な冷凍機の排熱能力には過負荷である。
However, the frequency multiplex readout apparatus having the N system configuration is operated with a
本発明は以上の点に鑑みなされたもので、室温と極低温との間の信号線数が2本のみの構成で、極低温環境下で動作する増幅器の全帯域を使用できる構成とすることで、1本の信号線あたりの画素数の飛躍的な増大を可能とした周波数多重読出装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and has a configuration in which the number of signal lines between room temperature and cryogenic temperature is only two, and the entire band of an amplifier operating in a cryogenic environment can be used. Therefore, an object of the present invention is to provide a frequency multiplex readout apparatus that can dramatically increase the number of pixels per signal line.
上記の目的を達成するため、本発明の周波数多重読出装置は、互いに異なる共振周波数を有するM個(ただし、Mは2以上の自然数)の超伝導共振回路を備える読出チップ52と、M個の超伝導共振回路の各共振周波数を検出信号に応じて互いに独立して変化させるM個の超伝導検出器を備える検出チップ51とからなる多重化チップが、N個(ただし、Nは2以上の自然数)互いに共振周波数を異ならせて縦続接続されており、N個の読出チップ内のM×N個の超伝導共振回路の共振周波数と同じ周波数のM×N個の周波数信号からなる高周波帯の第1の周波数分割多重信号が供給され、M×N個の超伝導検出器の検出信号に応じて振幅及び位相が制御されたM×N個の周波数信号からなる高周波帯の第2の周波数分割多重信号を出力する縦続接続多重化チップ171〜17Nと、縦続接続多重化チップから出力される第2の周波数分割多重信号を増幅して出力する広帯域の増幅器19と、M個の周波数信号が周波数分割多重された任意波形で第1の帯域の信号であるベースバンド信号をN個、各周波数信号の周波数を互いに異ならせて生成し、そのN個のベースバンド信号を、高周波帯で、かつ、互いに帯域が異なるN個の高周波信号にアップコンバートし、アップコンバート後のN個の高周波信号を周波数分割多重して、全体の帯域幅を広帯域の増幅器の帯域幅以下の第2の帯域とした周波数分割多重信号を生成して縦続接続多重化チップへ第1の周波数分割多重信号として供給する周波数分割多重信号生成手段111〜11N,121〜12N,131〜13Nと、広帯域の増幅器から出力される第2の周波数分割多重信号をN分配する信号分配手段211〜21mと、信号分配手段により分配されたN個の第2の周波数分割多重信号をそれぞれ互いに周波数が異なるM個の周波数信号からなる第1の帯域のN個のベースバンド信号にダウンコンバートするダウンコンバート手段221〜22N,241〜24N,121〜121Nと、ダウンコンバート手段から出力されるN個のベースバンド信号の振幅及び位相を解析する解析手段251〜25N,26とを備える。ここで、縦続接続多重化チップを構成する前記M×N個の超伝導検出器が大規模超伝導検出器アレイを構成し、前記縦続接続多重化チップ及び前記広帯域の増幅器は極低温環境下で動作するとともに、前記縦続接続多重化チップは、室温環境下で動作する前記周波数分割多重信号生成手段から前記第1の周波数分割多重信号が1本の第1の信号線を介して供給され、前記広帯域の増幅器を通して前記第2の周波数分割多重信号を室温環境下で動作する前記信号分配手段へ1本の第2の信号線を介して供給することを特徴とする。
In order to achieve the above object, the frequency multiplexing read apparatus of the present invention includes a
また、上記の目的を達成するため、本発明の周波数多重読出装置は、前記高周波帯の第1及び第2の周波数分割多重信号が、前記M×N個の超伝導共振回路の共振周波数と同じ周波数の線スペクトルが櫛状に並んだ周波数コム信号からなるマイクロ波帯の周波数分割多重信号であることを特徴とする。 In order to achieve the above object, according to the frequency division multiplexing apparatus of the present invention, the first and second frequency division multiplexed signals in the high frequency band have the same resonance frequency as the M × N superconducting resonance circuits. It is a frequency division multiplexed signal in a microwave band composed of frequency comb signals in which frequency line spectra are arranged in a comb shape.
また、上記の目的を達成するため、本発明の周波数多重読出装置は、前記縦続接続多重化チップが、前記検出チップ及び前記読出チップを兼用するM個のマイクロ波力学インダクタンス検出器が1個の多重化チップとして、N個縦続接続された構成であることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the frequency division multiplexing read-out device according to the present invention is configured such that the cascade-multiplexed chip includes one M number of microwave dynamic inductance detectors that serve both as the detection chip and the read chip. The multiplexing chip has a configuration in which N pieces are cascade-connected.
また、上記の目的を達成するため、本発明の周波数多重読出装置は、前記検出チップ51を構成するM個の前記超伝導体検出器が、M個の超伝導転移端検出器であることを特徴とする。
In order to achieve the above object, according to the frequency multiplex readout apparatus of the present invention, the M superconductor detectors constituting the
また、上記の目的を達成するため、本発明の周波数多重読出装置は、前記検出チップを構成するM個の前記超伝導体検出器が、超伝導体のM個の差動コイルからなる金属磁気カロリーメータであることを特徴とする。 In order to achieve the above object, according to the frequency multiplex readout apparatus of the present invention, the M superconductor detectors constituting the detection chip are formed of metal magnets composed of M differential coils of superconductors. It is a calorimeter.
また、上記の目的を達成するため、本発明の周波数多重読出装置は、検出チップを構成するM個の超伝導体検出器が、超伝導体の検出コイルを含む超伝導ループが、前記読出チップを構成するジョセフソン接合を有するM個の前記超伝導共振回路に別々に磁気結合したM個のSQUID磁力計であることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the frequency multiplex readout apparatus according to the present invention includes a superconducting loop in which M superconductor detectors constituting a detection chip include a superconductor detection coil. The M SQUID magnetometers are individually magnetically coupled to the M superconducting resonance circuits having Josephson junctions that constitute the structure.
また、上記の目的を達成するため、本発明の周波数多重読出装置は、前記解析手段が、前記ダウンコンバート手段から出力される前記N個のベースバンド信号のうち対応するベースバンド信号をA/D変換する、帯域幅が入力されるベースバンド信号の帯域幅以下であるN個の信号処理器と、前記N個の信号処理器から出力されるデジタル信号に基づいて解析を行うコンピュータとよりなることを特徴とする。 In order to achieve the above object, in the frequency multiplex readout apparatus according to the present invention, the analyzing means converts the corresponding baseband signal among the N baseband signals output from the downconverting means to A / D. N signal processors whose bandwidth is equal to or less than the bandwidth of the input baseband signal to be converted, and a computer that performs analysis based on the digital signals output from the N signal processors It is characterized by.
本発明によれば、室温環境と極低温冷却装置との間の信号線数を大幅に少なくし、極低温冷却装置への信号線を介しての熱流入を大幅に抑圧できる。また、本発明によれば、極低温環境下で動作する広帯域の増幅器の全帯域幅を使用できるため、従来に比べて極めて高画素数の画素信号(周波数分割多重信号)を読み出すことができる。 According to the present invention, the number of signal lines between the room temperature environment and the cryogenic cooling device can be greatly reduced, and heat inflow through the signal line to the cryogenic cooling device can be significantly suppressed. In addition, according to the present invention, since the entire bandwidth of a wide-band amplifier that operates in a cryogenic environment can be used, a pixel signal (frequency division multiplexed signal) with an extremely high number of pixels can be read compared to the conventional art.
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、本発明に係る周波数多重読出装置の一実施形態の構成図を示す。同図に示すように、本実施形態の周波数多重読出装置10は、N個の任意波形発生器111〜11Nと、N個の局部発振器121〜12Nと、N個の周波数変換器(シングルサイドバンドミキサ)131〜13Nと、N個の低域フィルタ(LPF)141〜14Nと、2入力1出力型合波器151〜15mと、レベル減衰器16と、縦続接続されたN個の多重化チップ171〜17Nと、サーキュレータ18と、単一のHEMT増幅器19と、単一の低雑音増幅器20と、m個の1入力2出力型の分波器211〜21mと、N個の帯域フィルタ(BPF)221〜22Nと、N個の増幅器231〜23Nと、N個の周波数変換器(ミキサ)241〜24Nと、N個の信号処理器251〜25Nと、コンピュータ(PC)26とから構成され、極低温冷却装置Cry内の多重化チップ171〜17N及びHEMT増幅器19等が一系統の構成である。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a configuration diagram of an embodiment of a frequency multiplex readout apparatus according to the present invention. As shown in the figure, the frequency multiplexing
任意波形発生器111〜11Nの各々は、周波数の異なるM個の周波数信号が多重された任意波形のベースバンド帯の周波数分割多重信号を発生する。ここでは、任意波形発生器111〜11Nの各々は、任意波形として、図2(a)に示すような櫛状にM個の線スペクトル(周波数信号)が並んだ周波数コム(櫛)信号を発生する。また、任意波形発生器111〜11Nがそれぞれ出力する周波数コム信号の信号帯域幅Aは同一で、後述する信号処理器251〜25Nのそれぞれの帯域幅以下で、かつ、できるだけ近い帯域幅である。また、任意波形発生器111〜11Nは、それぞれ発生する周波数コム信号中のM個のピークの周波数は互いに異なるように設定されている。従って、任意波形発生器111〜11Nは、全体としては同一振幅のベースバンド帯の互いに異なるM×N個の周波数信号からなる周波数コム信号を発生する。なお、本明細書において、便宜上、他と区別するため、任意波形発生器111が発生する周波数コム信号を第1の周波数コム信号といい、同様に任意波形発生器112、113、・・・、11Nがそれぞれ発生する周波数コム信号を第2、第3、・・・、第Nの周波数コム信号という。
Each of the
局部発振器121〜12Nは互いに異なる局部発振周波数fc1〜fcNを発振出力する。周波数変換器131〜13Nは、局部発振器121〜12Nのうち対応する一の局部発振器とアップコンバータを構成している。すなわち、周波数変換器131〜13Nのうちi番目(i=1〜N;以下同じ)の周波数変換器13iは、局部発振器121〜12Nのうち対応するi番目の局部発振器12iとアップコンバータを構成しており、任意波形発生器11iから供給される第iの周波数コム信号を、局部発振器12iから供給される局部発振周波数fciを基準とする周波数変換を行い、例えば数GHzのマイクロ波帯にアップコンバートして出力する。以上の任意波形発生器111〜11N、局部発振器121〜12N、及び周波数変換器131〜13Nは、LPF141〜14N及び2入力1出力型合波器151〜15mとともに、本発明の構成要素の周波数分割多重信号生成手段を構成している。
The local oscillators 121 to 12N oscillate and output different local oscillation frequencies f c1 to f cN . The
なお、局部発振器121〜12Nから出力されるアップコンバートされたN個の周波数コム信号の各帯域は、いずれもマイクロ波帯であるが、後述するように、局部発振周波数fc1〜fcNの設定により、重複しないように互いに異なるようにされ、かつ、アップコンバート後のN個の周波数コム信号全体の帯域幅が、本発明における広帯域の増幅器の一例であるHEMT増幅器19の帯域幅Bと同一か若干小なる帯域幅にされる。
Each band of the up-converted N frequency comb signals output from the local oscillators 121 to 12N is a microwave band. However, as will be described later, the local oscillation frequencies f c1 to f cN are set. Therefore, the bandwidth of the N frequency comb signals after the up-conversion is the same as the bandwidth B of the
レベル減衰器16、多重化チップ171〜17N、サーキュレータ18及びHEMT増幅器19は、極低温冷却装置Cry内に収容されて極低温環境下で動作する。多重化チップ171〜17Nはそれぞれ同一構成で、M個の超伝導検出器で構成された検出チップと、検出チップからの検出信号により共振周波数が可変制御されるM個の超伝導共振回路を通して入力信号を読み出す読出チップとからなる。ここでは、一例として、多重化チップ171〜17Nは、それぞれ図8に示した多重化チップ50と同一構成であり、M個の超伝導検出器としてM個のTESを備える検出チップ51と、M個の超伝導共振回路を備える読出チップ52とを有し、M個の超伝導共振回路とM個のTESとがM個のコイル541〜543等で各別に接続された構成である。また、M個の超伝導共振回路のそれぞれは入力コイル、SQUID及び線路から構成されている。また、多重化チップ171〜17Nは、後述するように、読出信号を得るための信号線が縦続接続されるように、ボンディングワイヤで結線され、各々の透過率の積が観測される透過率となるようにされている。縦続接続された多重化チップ171〜17Nの全部でN個の検出チップ51を構成するN×M個のTESは、大規模超伝導検出器アレイを構成している。
The
また、多重化チップ171の読出チップ内のM個の超伝導共振回路は、入力周波数分割多重信号中のN×M個のピークの周波数信号のうち、LPF141が出力するアップコンバート後の第1の周波数分割多重信号のM個のピークの周波数信号と同一の周波数をそれぞれ共振周波数とする。同様に、多重化チップ172、173、・・・、17Nの各読出チップ内のM個の超伝導共振回路は、入力周波数分割多重信号中のN×M個のピークの周波数信号のうち、LPF172、173、・・・、17Nが出力するアップコンバート後の第2、第3、・・・、第Nの周波数コム信号のピークの周波数信号と同一の周波数をそれぞれ共振周波数とする。
Further, the M superconducting resonance circuits in the readout chip of the multiplexing chip 171 have the first upconverted output from the
周波数変換器241〜24Nは、局部発振器121〜12Nのうち対応する一の局部発振器とダウンコンバータを構成している。すなわち、周波数変換器241〜24Nのうちi番目の周波数変換器24iは、局部発振器121〜12Nのうちi番目の局部発振器とダウンコンバータを構成しており、分波器からBPF221〜22N及び増幅器231〜23Nを介して供給されるマイクロ波帯の周波数分割多重信号を、局部発振器12iから供給される局部発振周波数fciを基準とする周波数変換を行い、ベースバンド帯のM個の周波数からなる周波数分割多重信号にダウンコンバートして出力する。したがって、局部発振器121〜12Nは、アップコンバータとダウンコンバータとで共用されている。N個の信号処理器251〜25Nは、それぞれA/D変換部からなる。BPF221〜22N、増幅器231〜23N、周波数変換器241〜24N及び局部発振器121〜12Nは本発明の構成要素のダウンコンバート手段を構成している。
The
次に、本実施形態の動作について説明する。
周波数変換器131〜13Nは、任意波形発生器111〜11Nから出力された、M個のピークの周波数信号が多重された帯域幅Aのベースバンド帯の周波数コム信号に対し、局部発振器121〜12Nから供給された局部発振周波数fc1〜fcNを基準とする周波数変換を行い、例えば数GHzのマイクロ波帯にアップコンバートした信号を出力する。LPF141〜14Nは、1対1に対応して設けられた周波数変換器131〜13Nから出力されるマイクロ波帯のシングルサイドバンドの基本波成分のみを通過させ、不要な高調波成分を除去する。基本波成分は、マイクロ波帯にアップコンバートされた帯域幅Aの周波数コム信号である。
Next, the operation of this embodiment will be described.
The
図2(a)は、任意波形発生器111〜11Nのうち任意の一つの任意波形発生器から出力された周波数コム信号を示す。この周波数コム信号は、異なるM個(この例ではM=16)の周波数において同一パワー(レベル)の線スペクトルのピークを有する周波数コム信号である。図2(b)は、LPF141〜14Nから出力されるマイクロ波帯にアップコンバートされた周波数コム信号の周波数スペクトラムの一例を示す。同図(b)において、点線で示すfc1〜fcNは局部発振周波数で、周波数fに対して矩形で示すfci<f<(fci+A)を満たすN個の離散的領域がそれぞれアップコンバートされた周波数コム信号の帯域幅Aを示している。図2(b)に示すように、LPF141〜14Nから出力されるマイクロ波帯にアップコンバートされた周波数コム信号は、局部発振周波数fc1〜fcNの設定により、各信号帯域が重複することなく、かつ、N個のマイクロ波帯の周波数コム信号全体の帯域幅をHEMT増幅器19の帯域幅Bに等しくなるまで増大できる。
FIG. 2A shows a frequency comb signal output from any one arbitrary waveform generator among the
LPF141〜14Nからそれぞれ取り出された、互いに周波数帯域が異なるN個のマイクロ波帯の各周波数コム信号は、合波器151〜15mにより順次に合成されて最終的にすべて合成されて帯域幅Bの1個の周波数分割多重信号とされて1本の信号線(マイクロ波同軸線)L1に出力される。この1本の信号線L1の入力周波数分割多重信号は、互いに異なるN×M個の周波数のそれぞれにて同一振幅のピークを有するマイクロ波帯の周波数分割多重信号である。
The frequency comb signals of N microwave bands with different frequency bands respectively extracted from the
レベル減衰器16は、室温系の雑音を、微弱信号を扱う極低温系に影響しないレベルにまで減衰する目的で設けられる。このレベル減衰器16により1本の信号線L1の入力マイクロ波帯周波数分割多重信号も減衰を受け、縦続接続されたN個の多重化チップ171〜17N中の初段の多重化チップ171に入力される。多重化チップ171は、検出チップ内のM個のTESが外部から入力される光子等のエネルギーを検出し、その検出信号に応じて読出チップ内のM個の超伝導共振回路の共振周波数が僅かな周波数幅内で変化し、信号線L1の入力マイクロ波帯周波数分割多重信号中の共振周波数と同じ周波数信号の位相及び振幅を変化させて出力する。多重化チップ171内のM個の超伝導共振回路の共振周波数は、前述した第1の周波数コム信号のM個の周波数信号の周波数であり、多重化チップ171は、入力マイクロ波帯周波数分割多重信号中の第1の周波数コム信号のM個の共振周波数と同じ周波数信号の位相及び振幅をTESの検出結果に応じて変化させて次の多重化チップ172に出力する。このような変調により、図2(a)に示す周波数コム信号に図2(c)に示す透過率を乗じた出力スペクトルが、多重化チップ171から出力される。
The
同様に、多重化チップ172は、多重化チップ171から供給されるマイクロ波帯周波数分割多重信号中の、前述した第2の周波数コム信号のM個の周波数信号の位相及び振幅を、その検出チップ内のM個のTESの検出結果に応じて変化させて次の多重化チップ173に出力する。多重化チップ173から多重化チップ17Nまでの各多重化チップも上記と同様の動作を行う。
Similarly, the
このようにして、縦続接続されたN個の多重化チップ171〜17N中の最終段の多重化チップ17Nからは、互いに異なるN×M個の周波数信号のそれぞれにおいてTESの検出結果に応じて位相及び振幅が変化したマイクロ波帯の周波数分割多重信号(周波数コム信号)が取り出される。
In this way, from the last
最終段の多重化チップ17Nから取り出されたマイクロ波帯の周波数分割多重信号は、サーキュレータ18を通してHEMT増幅器19に供給されて増幅された後、1本の信号線(マイクロ波同軸線)L2へ出力される。すなわち、本実施形態では、極低温冷却装置Cryの入力信号線(マイクロ波同軸線)はL1の1本のみであり、また出力信号線(マイクロ波同軸線)もL2の1本のみである。信号線L2を介して出力されたマイクロ波帯の周波数分割多重信号(周波数コム信号)は、室温環境下で動作する低雑音増幅器20により増幅された後、1入力2出力型の分波器211〜21mによりN分配される。N分配されたマイクロ波帯の周波数分割多重信号は、それぞれBPF221〜22Nに供給される。
The frequency division multiplexed signal in the microwave band taken out from the
BPF221〜22Nは、その通過帯域が図2(b)に示した周波数fc1<f<(fcN+A)に離散的に存在し、N個のマイクロ波帯の周波数コム信号の各信号帯域と同じ帯域に設定されており、供給される帯域幅Bの周波数分割多重信号から自己に割り当てられた通過帯域の1個の帯域幅Aの周波数コム信号のみを周波数選択して出力する。すなわち、BPF221〜22Nのうちi番目のBPF22iは、供給されるマイクロ波帯の周波数分割多重信号から周波数fci<f<(fci+A)の範囲のi番目の帯域幅Aの周波数コム信号を周波数選択し、i番目の増幅器23iへ供給する。増幅器231〜23Nは、マイクロ波帯の周波数分割多重信号の分波器211〜21mによるN分配に伴う信号対雑音比の低下を補償するために設けられている。
The
周波数変換器241は、増幅器231を介して入力されるマイクロ波帯の周波数分割多重信号と局部発振器121から供給される局部発振周波数fc1を基準とする周波数変換を行い、ベースバンド帯にダウンコンバートされた帯域幅Aの第1の周波数分割多重信号(周波数コム信号)を出力する。このダウンコンバートされた第1の周波数コム信号は、多重化チップ171から出力された周波数コム信号の復調信号であり、M個のディップの周波数において多重化チップ171のTESの検出結果に応じて位相及び振幅が変化している。
The
同様に、周波数変換器242、243、・・・、24Nは、それぞれ増幅器232、233、・・・、23Nを介して入力されるマイクロ波帯の周波数分割多重信号と局部発振器122、123、・・・、12Nから供給される局部発振周波数fc2、fc3、・・・、fcNとの周波数変換を行ってベースバンド帯にダウンコンバートされた各M個のディップの周波数において多重化チップ172、173、・・・、17NのTESの検出結果に応じて位相及び振幅が変化している第2、第3、・・、第Nの周波数コム信号を復調出力する。
Similarly, the
N個の信号処理器251〜25Nは、それぞれ対応して設けられた周波数変換器241〜24Nから供給されるベースバンド帯の周波数コム信号をA/D変換してデジタル信号とする。コンピュータ(PC)26は、信号処理器251〜25Nより並列に供給されるデジタル信号を、例えば高速フーリエ変換して各ディップの周波数信号の位相及び振幅の変化を解析し、TESの検出結果を得る。検出結果は必要に応じて記憶される。ここで、信号処理器251〜25N内のA/D変換部は、入力信号が任意波形発生器111〜11Nから出力される信号と同じ狭帯域幅Aのベースバンド信号であるため、従来と同じ市販品を用いることができ、扱う検出信号のダイナミックレンジが例えば14ビット必要な場合、帯域幅は市販品の仕様である約0.25GHzでよい。
The
一方、本実施形態の周波数多重読出装置10によれば、HEMT増幅器19に供給されるマイクロ波帯の周波数分割多重信号はN個の周波数コム信号を周波数多重した信号であり、図2(b)に示したその帯域幅BはHEMT増幅器19の帯域幅をフルに使用可能な1GHz以上10GHz以下の範囲内にある。すなわち、1画素信号の帯域Dを100kHz、隣接共振周波数間隔とDの比κを「10」とすると、本実施形態の周波数多重読出装置10は(1)式から多重化可能な原理的画素数Mpが、
1×103≦Mp≦1×104
である極めて高画素数の画素信号(周波数分割多重信号)を読み出すことができる。
On the other hand, according to the frequency multiplexing
1 × 10 3 ≦ M p ≦ 1 × 10 4
It is possible to read out an extremely high pixel signal (frequency division multiplexed signal).
また、本実施形態の周波数多重読出装置10によれば、極低温冷却装置Cry内の多重化チップ171〜17N及びHEMT増幅器19等が一系統の構成であり、極低温冷却装置Cryと外部の室温環境との間の信号線(マイクロ波同軸線)はL1及びL2の2本のみでよいため、2N本の信号線が必要であった従来装置に比べて室温環境から極低温冷却装置Cryへの信号線を介しての熱流入を大幅に抑圧できる。
Further, according to the frequency
以上により、本実施形態の周波数多重読出装置10によれば、小型・低消費電力の極低温冷凍機上に実装した大規模超伝導器検出アレイによる先端分析器の可能性が拓かれる。また、本実施形態の周波数多重読出装置10によれば、多重化チップ171〜17N内の検出チップの超伝導検出器としてTESを用いているので、熱に変換できる物理量なら、電磁波、エネルギー粒子等、原理的に何でも検出可能であり、電磁波(光子)検出器として使う場合は、検出対象波長域が極めて広いという特長がある。これまで実証されたのは、長波長(低周波)側はミリ波から、短波長(高周波)側はガンマ線までの、9桁にも及び範囲での動作である。特に、X線領域ではセンサに入射した光子1個1個のエネルギーを半導体検出器より30倍以上良好な分解能での検出実例がある。
As described above, according to the frequency
次に、超伝導共振器と複数の局部発振周波数を併用する周波数多重化法の特徴について説明する。
超伝導金属のマイクロ波帯表面抵抗は、銅などの良導体と比較すると2桁以上小さいことが報告されている。この特徴を用いて、急峻な周波数特性を持つ超伝導マイクロ波フィルタを、携帯無線の基地局へ応用するための研究開発が各国で盛んに行われている。本発明の周波数多重読出装置における多重化チップ上の超伝導共振器は、このようにマイクロ波帯で極めて低い電極損失と高い周波数分離度を示す超伝導フィルタの原理を適用したものである。
Next, the characteristics of the frequency multiplexing method using a superconducting resonator and a plurality of local oscillation frequencies will be described.
It has been reported that the surface resistance of the superconducting metal in the microwave band is two orders of magnitude smaller than that of a good conductor such as copper. Using this feature, research and development for applying a superconducting microwave filter having a steep frequency characteristic to a portable radio base station has been actively conducted in various countries. The superconducting resonator on the multiplexing chip in the frequency multiplex readout device of the present invention applies the principle of a superconducting filter that exhibits extremely low electrode loss and high frequency separation in the microwave band.
周波数多重化法は通信分野で従来から広く用いられているが、キャリアの周波数弁別に用いるフィルタの周波数特性の急峻さにより、隣接キャリア間の周波数幅と単位読出帯域への多重化画素数とが制約される宿命を持つ。このため、単に変・復調の局部発振周波数を複数設定するだけでは、常伝導金属フィルタの周波数弁別度に制約され、結果的に単位読出帯域への多重化画素数の飛躍的向上は不可能との問題があった。一方、急峻な周波数特性を持つ超伝導フィルタだけの周波数多重では、極低温下での多重化画素数を稼ぐことは可能であるが、室温処理系では前述したA/D変換器帯域の制約を受け、総合的な多重化画素数を伸ばせない。これに対し、本発明によれば、上記の実施形態のように超伝導共振器と複数周波数の変・復調を組み合わせるようにしたため、極低温から室温までのトータル信号処理システムにおける多重化画素数の飛躍的増大を図ることができる。 The frequency multiplexing method has been widely used in the communication field. However, due to the steepness of the frequency characteristics of the filter used for carrier frequency discrimination, the frequency width between adjacent carriers and the number of multiplexed pixels in the unit readout band are different. Has a fate that is constrained. For this reason, simply setting a plurality of modulation / demodulation local oscillation frequencies limits the frequency discrimination of the normal metal filter, and as a result, it is impossible to dramatically increase the number of multiplexed pixels in the unit readout band. There was a problem. On the other hand, frequency multiplexing using only a superconducting filter with steep frequency characteristics can increase the number of multiplexed pixels at extremely low temperatures. However, the room temperature processing system has the A / D converter band limitation described above. Therefore, the total number of multiplexed pixels cannot be increased. On the other hand, according to the present invention, since the superconducting resonator and the modulation / demodulation of multiple frequencies are combined as in the above embodiment, the number of multiplexed pixels in the total signal processing system from cryogenic temperature to room temperature is reduced. A dramatic increase can be achieved.
次に、本発明における複数の多重化チップの縦続接続方法について説明する。
図3は、本発明における多重化チップの縦続接続方法の一例を示す。図3において、N個の多重化チップ31〜3Nは単一のボード40上に搭載されてモジュール41を構成している。多重化チップ31〜3Nは各マイクロ波読出線が縦続接続されるようにモジュール41内において順次に一対のボンディングワイヤ等で結線されている。初段の多重化チップ31の入力は入力側同軸ケーブル44に一対のボンディングワイヤ431で結線され、最終段の多重化チップ3Nの出力が出力側同軸ケーブル45に一対のボンディングワイヤ432で結線されている。多重化チップ31〜3Nのそれぞれは、M(=Mp/N)個の超伝導共振回路を有している。なお、多重化チップ31〜3Nは図1の多重化チップ171〜17Nに相当する。
Next, a cascade connection method for a plurality of multiplexed chips in the present invention will be described.
FIG. 3 shows an example of a cascade connection method of multiplexed chips in the present invention. In FIG. 3,
この構成によれば、入力側同軸ケーブル44に供給されるN個の任意波形発生器111〜11Nからの各周波数コム信号の変調信号(アップコンバートされた信号)は、多重化チップ31〜3Nを順次に経由して出力側同軸ケーブル45から取り出される。この構成の透過率は、多重化チップ31〜3Nの各々の透過率の積である。
According to this configuration, the modulation signals (up-converted signals) of the frequency comb signals from the N
次に、本発明に係る周波数多重読出装置の他の実施形態について説明する。
図4は、本発明に係る周波数多重読出装置の第2の実施形態の要部の構成図を示す。同図中、図8と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する。本発明に係る周波数多重読出装置の第2の実施形態は、図1に示した実施形態の構成図におけるN個の多重化チップ171〜17Nそれぞれを、図4に示した多重化チップ670に変更した構成である。図4において、多重化チップ670は、M個の超伝導体のマイクロ波力学インダクタンス検出器(MKID;Microwave Kinetic Inductance Detector)681〜68M(図4では3個のみ図示)と、M個のキャパシタ691〜69M(図4では3個のみ図示)と、M本の線路610〜61M(図4では3本のみ図示)とを有し、極低温冷却装置60に収容されている。MKID681はキャパシタ691を介して線路610及び611の接続点に接続された第1の超伝導共振回路を構成している。同様に、MKID682はキャパシタ692を介して線路611及び612の接続点に接続されて第2の超伝導共振回路を構成し、MKID683はキャパシタ693を介して線路612及び613の接続点に接続されて第3の超伝導共振回路を構成している。
Next, another embodiment of the frequency multiplex readout apparatus according to the present invention will be described.
FIG. 4 shows a configuration diagram of a main part of a second embodiment of the frequency multiplexing readout apparatus according to the present invention. In the figure, the same components as those in FIG. In the second embodiment of the frequency multiplexing read apparatus according to the present invention, each of the N multiplexing chips 171 to 17N in the configuration diagram of the embodiment shown in FIG. 1 is changed to the
本実施形態における多重化チップ670は、超伝導検出器である公知のMKIDを用いた、検出チップ及び読出チップを共用した構成である。超伝導体のMKID681〜68Mは、超伝導体の固有エネルギーよりも大きなエネルギーを持つ光子や粒子が入射すると、超伝導薄膜内で電気抵抗ゼロで流れる超伝導電子対が壊れ、電気抵抗を伴う常伝導電子(準粒子)が励起され、準粒子の励起数に伴い超伝導薄膜のインダクタンス(磁界を伴わない力学インダクタンス成分)の値が変化することが知られている。この原理により、MKID681〜68Mは、入射光子等のエネルギー分光可能な量子型(非熱型)検出器として動作する。
The
このため、MKID681〜68Mとキャパシタ691〜69MとからなるM個の超伝導共振回路の共振周波数は、MKID681〜68Mへの超伝導体の固有エネルギーよりも大きなエネルギーを持つ光子や粒子の入射に応じて変化する。ここでは、上記のM個の超伝導共振回路は、互いに異なる共振周波数に設定されており、かつ、入力されるマイクロ波帯の周波数分割多重信号の所定のM個(図4ではM=3の場合を示す)の周波数信号と同一周波数に設定されている。本実施形態の周波数多重読出装置は、図1の多重化チップ171〜17Nのそれぞれを図4に示した多重化チップ670で構成し、これをN個縦続接続した構成である。
For this reason, the resonance frequency of the M superconducting resonance circuits composed of the
これにより、本実施形態の周波数多重読出装置では、縦続接続されたN個の多重化チップ670に対して、互いに異なるN×M個の周波数のそれぞれにて同一振幅のピークを有するマイクロ波帯の周波数コム信号が入力されると、そのN×M個の周波数信号の位相及び振幅を、N×M個のMKIDへの光子入射に応じて変化した周波数コム信号を出力する。なお、MKIDは、TESのようにバイアス電流を流す必要がないので、本実施形態ではTESを検出チップで用いた前記実施形態で必要であったバイアス線が不要である利点を有する。また、MKIDは、典型的な超伝導体のギャップエネルギーであるミリ波・サブミリ波(〜1011Hz)より高周波数の電磁波やエネルギー粒子の検出器として動作し、ミリ波領域ではTESに匹敵する感度を実証した。
As a result, in the frequency division multiplex reading apparatus according to the present embodiment, for the N multiplexed
次に、本発明に係る周波数多重読出装置の第3の実施形態について説明する。
図5は、本発明に係る周波数多重読出装置の第3の実施形態における多重化チップの要部である検出チップ51Bの構成図を示す。同図中、図8と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する。本発明に係る周波数多重読出装置の第3の実施形態は、図1に示した実施形態の構成図におけるN個の多重化チップ171〜17Nのそれぞれの検出チップを、図8に示した構成中の検出チップ51の代わりに図5に示す検出チップ51Bを用いるものである。すなわち、本実施形態は、各多重化チップ171〜17Nは図8に示した多重化チップ50と同様の構成であるが、検出チップが図8の51ではなく、図5に示す検出チップ51Bを用いるものである。
Next, a third embodiment of the frequency multiplex readout apparatus according to the present invention will be described.
FIG. 5 shows a configuration diagram of a
図5に示す検出チップ51Bは、温度依存性の強い帯磁率を持つ薄膜が磁気的結合されている超伝導体の第1のコイルと、該薄膜が結合されていない超伝導体の第2のコイルとの並列回路が、全部でM個(図5ではそのうちの3個のみ図示)形成された、超伝導検出器の一例の公知の金属磁気カロリーメータ(MMC;Metallic Magnetic Calorimeter)の構成とされている。また、図5において、第1のコイルLS1L及び第2のコイルLS1Rが並列に接続された一方の接続点は図8に示したコイル541の一端(読出チップ52と反対側端子)に接続され、他方の接続点は図8に示した入力コイル551の一端(読出チップ52と反対側端子)に接続されている。同様に、第1のコイルLS2L及び第2のコイルLS2Rの接続点の一方は、図8に示したコイル542の一端(読出チップ52と反対側端子)に接続され、他方の接続点は図8に示した入力コイル552の一端(読出チップ52と反対側端子)に接続されており、第1のコイルLS3L及び第2のコイルLS3Rの接続点の一方は、図8に示したコイル543の一端(読出チップ52と反対側端子)に接続され、他方の接続点は図8に示した入力コイル553の一端(読出チップ52と反対側端子)に接続されている。他も同様である。
The
検出チップ51Bでは、温度依存性の強い帯磁率を持つ薄膜(常磁性体)を光子吸収体として機能させる。並列に接続された第1及び第2のコイルは、自己インダクタンス値が等しく差動(差分)コイルを構成しており、これらのコイルに一様磁界を印加する。この状態の差動コイルに電磁波(光子)が入射すると、それに伴う温度上昇を生じる薄膜(常磁性体)が磁気的結合された第1のコイル(LS1L、LS2L、LS3L等)のみに、入射光子のエネルギーに起因するインダクタンス変化が生じ、第2のコイル(LS1R、LS2R、LS3R等)のインダクタンス値は変化しない。従って、光子の入射が無い時に打ち消し合って出力が生じなかった差動コイルが、光子の入射があると入射光子のエネルギーを反映した出力を発生する。このような動作をする金属磁気カロリーメータを検出チップ51Bとして用いることにより、読出チップ52を構成するM個の超伝導共振回路の共振周波数が、対応して設けられた検出チップ51B内のM個の差動コイルへの光子の入射に応じて互いに独立して変化する。
In the
従って、本実施形態の周波数多重読出装置では、図1の多重化チップ171〜17Nのそれぞれの検出チップとして図5に示す検出チップ51Bを用いることにより、縦続接続された多重化チップ171〜17Nに入力されたマイクロ波帯の周波数コム信号のN×M個の周波数信号の位相及び振幅を、N×M個の金属磁気カロリーメータへの光子の入射エネルギーに応じて変化させて出力することができる。なお、金属磁気カロリーメータは、熱に変換できる物理量なら電磁波、エネルギー粒子等、原理的に何でも検出することができる熱型検出器であり、X線領域でのエネルギー分解能の最良値は、TESの最良値に遜色ない実験結果が得られることが知られている。
Therefore, in the frequency multiplexing readout apparatus of this embodiment, the
次に、本発明に係る周波数多重読出装置の第4の実施形態について説明する。
図6は、本発明に係る周波数多重読出装置の第4の実施形態における多重化チップの要部の構成図を示す。同図中、図8と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する。本発明に係る周波数多重読出装置の第4の実施形態は、図1に示した実施形態の構成図におけるN個の多重化チップ171〜17Nのそれぞれの検出チップを、図8に示した構成中の検出チップ51の代わりに図6に示す検出チップ51Cを用いるものである。すなわち、本実施形態は、各多重化チップ171〜17Nは図8に示した多重化チップ50と同様の構成であるが、検出チップが図8の51ではなく、図6に示す検出チップ51Cを用いるものである。
Next, a fourth embodiment of the frequency multiplex readout apparatus according to the present invention will be described.
FIG. 6 shows a block diagram of the main part of a multiplexing chip in the fourth embodiment of the frequency multiplexing read apparatus according to the present invention. In the figure, the same components as those in FIG. In the fourth embodiment of the frequency multiplex readout apparatus according to the present invention, the detection chips of the N multiplexing chips 171 to 17N in the configuration diagram of the embodiment shown in FIG. Instead of the
図6に示す検出チップ51Cは、検出コイルL1、L2、L3等の、全部でM個の検出コイルからなる、超伝導検出器の一例の公知のSQUID磁力計の構成である。SQUID磁力計は、超伝導ループの中にジョセフソン接合素子を1又は2個含むSQUIDに、超伝導検出コイルを含む超伝導ループを磁気結合した電子素子である。ここで、図6に示す検出コイルL1、L2、L3が上記の超伝導検出コイルに相当する。図6において、検出コイルL1の一端は図8に示したコイル541の一端(読出チップ52と反対側端子)に接続され、他端は図8に示した入力コイル551の一端(読出チップ52と反対側端子)に接続されている。同様に、検出コイルL2の一端は図8に示したコイル542の一端(読出チップ52と反対側端子)に接続され、他端は図8に示した入力コイル552の一端(読出チップ52と反対側端子)に接続されており、検出コイルL3の一端は図8に示したコイル543の一端(読出チップ52と反対側端子)に接続され、他端は図8に示した入力コイル553の一端(読出チップ52と反対側端子)に接続されている。他も同様である。
A
本実施形態では、検出チップ51Cを構成するM個の検出コイル(L1〜L3等)に信号磁界が印加されると、検出コイル(L1〜L3等)に鎖交する磁束に応じて図8のSQUIDリング571、572、573、・・・のインダクタンス値が変化する。このため、検出コイルに対応して接続されている読出チップ内の超伝導共振回路の共振周波数が変化する。従って、本実施形態の周波数多重読出装置では、図1の多重化チップ171〜17Nのそれぞれの検出チップとして図6に示す検出チップ51Cを用いることにより、縦続接続された多重化チップ171〜17Nに入力された、互いに異なるN×M個の周波数のそれぞれにて同一振幅のピークを有するマイクロ波帯の周波数コム信号に対して、N×M個のSQUID磁力計への信号磁界の入力強度に応じて、N×M個の周波数信号の位相及び振幅を変化させて出力することができる。なお、SQUID磁力計は、現存する磁気センサの中で最も磁界分解能が高く、脳、脊髄、心臓等の生体から発生する微弱磁界の検出や帯磁率計に用いられている。
In the present embodiment, when a signal magnetic field is applied to the M detection coils (L1 to L3, etc.) constituting the
次に、縦続接続されたN個の多重化チップの接続方法の他の例について説明する。図7は、本発明における多重化チップの縦続接続方法の他の例を示す。図3に示した多重化チップの縦続接続方法は、各々M(=Mp/N)個の超伝導共振回路を有する多重化チップ31〜3Nの各マイクロ波読出線を縦続接続してモジュール化する方法である。これは多重化チップの上限寸法が、露光装置の照射寸法等の制約により限定されている場合に有効な方法である。 Next, another example of a connection method of N multiplexed chips connected in cascade will be described. FIG. 7 shows another example of the cascade connection method of multiplexed chips in the present invention. The multiplex chip cascade connection method shown in FIG. 3 is modularized by cascading the respective microwave readout lines of the multiplex chips 31 to 3N each having M (= M p / N) superconducting resonance circuits. It is a method to do. This is an effective method when the upper limit size of the multiplexed chip is limited by restrictions such as the irradiation size of the exposure apparatus.
これに対し、大照射面積を有する露光装置の場合には、図7に示すように、照射面の上限値に対応し、コイルで接続された検出チップと読出チップとからなる組をN×M組縦続接続するように集積した1つの拡張多重化チップ300をボード46上に用いることができる。つまり、拡張多重化チップ300は、M個の超伝導共振回路とM個の超伝導検出器とがM個のコイルで個別に接続された多重化回路部が、図7に3001〜300Nで示すように全部でN回路あり、かつ、多重化回路部のM個の超伝導共振回路の出力端が次の多重化回路部のM個の超伝導共振回路の入力端に接続された構成である。このような構成も本発明の縦続接続された多重化チップに含まれる。
On the other hand, in the case of an exposure apparatus having a large irradiation area, as shown in FIG. 7, a set consisting of a detection chip and a reading chip connected by a coil corresponding to the upper limit value of the irradiation surface is N × M. One
図3に示した縦続接続された多重化チップの構成では、マイクロ波読出線を縦続接続するN+1対のボンディングワイヤが多重化チップ間の結線に必要となり、実装に手間がかかる。これに対し、図7に示した拡張多重化チップ300の構成では、マイクロ波読出線はチップ内で縦続接続されて完結しているため、ボンディングワイヤはチップの入力端子47とボード46間、及びチップの出力端子48とボード46間の計2箇所の結線だけで済む利点がある。
In the configuration of the cascaded multiplex chips shown in FIG. 3, N + 1 pairs of bonding wires for cascading the microwave readout lines are required for the connection between the multiplex chips, which is troublesome to mount. On the other hand, in the configuration of the
なお、図3では縦続接続された多重化チップは直線的に配置されているが、本発明はこのような配置に限定されるものではなく、極低温ステージの形状、寸法や、周辺部品との配置上の制約に応じて直線状以外の任意の配置も可能である。一方、図4では縦続接続された多重化チップは複数行複数列の二次元的に配置されているが、これは露光装置の円又は正方形の照射面積の上限値までチップ寸法を稼ぐ場合を想定しているためであり、本発明では図4の配置に限定されず、多重化チップは円又は正方形の照射面内で配置される。 In FIG. 3, the cascade-connected multiplexed chips are arranged in a straight line, but the present invention is not limited to such an arrangement, and the shape and dimensions of the cryogenic stage and the peripheral components Arbitrary arrangements other than a straight line are also possible depending on arrangement restrictions. On the other hand, in FIG. 4, the cascaded multiplexed chips are arranged two-dimensionally in a plurality of rows and a plurality of columns. This assumes that the chip size is obtained up to the upper limit of the irradiation area of the circle or square of the exposure apparatus. For this reason, the present invention is not limited to the arrangement shown in FIG. 4, and the multiplexed chips are arranged within a circular or square irradiation surface.
なお、本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、例えば、多重化チップ内の検出チップには、TES、MKID、MMC、SQUID磁力計以外の超伝導検出器も使用可能である。 The present invention is not limited to the above embodiment. For example, a superconducting detector other than a TES, MKID, MMC, or SQUID magnetometer can be used as a detection chip in a multiplexing chip.
小型・低消費電力の極低温冷凍機上に本発明の周波数多重読出装置を実装した大規模超伝導器検出アレイによる先端計測分析器の可能性が拓かれる。 The possibility of an advanced measurement analyzer using a large-scale superconductor detection array in which the frequency multiplex readout device of the present invention is mounted on a small-sized and low power consumption cryogenic refrigerator is opened.
10 周波数多重読出装置
16、741〜74N レベル減衰器
18、751〜75N サーキュレータ
19、62、621〜62N HEMT増幅器
20、761〜76N 低雑音増幅器
26、79 コンピュータ(PC)
31〜3N、50、171〜17N、31〜3N、501〜50N、670 多重化チップ
40、46 ボード
41 モジュール
44 入力側同軸ケーブル
45 出力側同軸ケーブル
47 チップの入力端子
48 チップの出力端子
51、51B、51C 検出チップ
52 読出チップ
60、Cry 極低温冷却装置
64 マイクロ波信号発生源
65 直流信号源
111〜11N、711〜71N 任意波形発生器
121〜12N、731〜73N、 局部発振器
131〜13N 周波数変換器(シングルサイドバンドミキサ)
141〜14N 低域フィルタ(LPF)
151〜15m 2入力1出力型合波器
211〜21m 1入力2出力型の分波器
221〜22N 帯域フィルタ(BPF)
231〜23N 増幅器
241〜24N、721〜72N、771〜77N 周波数変換器(ミキサ)
251〜25N、781〜78N 信号処理器
300 拡張多重化チップ
431、432 ボンディングワイヤ
531、532、533 超伝導転移端検出器(TES;Transition Edge Sensor)
541〜543、561〜56M コイル
551〜55M 入力コイル
571〜57M ジョセフソン接合
581〜58M、610、611〜61M、63 線路
591〜59M、691〜69M キャパシタ
681〜68M マイクロ波力学インダクタンス検出器(MKID;Microwave Kinetic Inductance Detector)
3001〜300N 多重化回路部
LS1L、LS2L、LS3L 第1のコイル
LS1R、LS2R、LS3R 第2のコイル
L1〜L3 検出コイル
10 Frequency
31 to 3N, 50, 171 to 17N, 31 to 3N, 501 to 50N, 670
141-14N Low-pass filter (LPF)
151 to 15m 2-input 1-
231 to 23N
251-25N, 781-
541-543, 561-56M Coil 551-55M Input coil 571-57M Josephson junction 581-58M, 610, 611-61M, 63 Line 591-59M, 691-69M Capacitor 681-68M Microwave dynamic inductance detector (MKID) ; Microwave Kinetic Inductance Detector)
3001-300N Multiplexing circuit portion L S1L , L S2L , L S3L First coil L S1R , L S2R , L S3R Second coil L1- L3 Detection coil
Claims (6)
前記縦続接続多重化チップから出力される前記第2の周波数分割多重信号を増幅して出力する広帯域の増幅器と、
M個の周波数信号が周波数分割多重された任意波形で第1の帯域の信号であるベースバンド信号をN個、各周波数信号の周波数を互いに異ならせて生成し、そのN個のベースバンド信号を、前記高周波帯で、かつ、互いに帯域が異なるN個の高周波信号にアップコンバートし、アップコンバート後の前記N個の高周波信号を周波数分割多重して、全体の帯域幅を前記広帯域の増幅器の帯域幅以下の第2の帯域とした周波数分割多重信号を生成して前記縦続接続多重化チップへ前記第1の周波数分割多重信号として供給する周波数分割多重信号生成手段と、
前記広帯域の増幅器から出力される前記第2の周波数分割多重信号をN分配する信号分配手段と、
前記信号分配手段により分配されたN個の前記第2の周波数分割多重信号をそれぞれ互いに周波数が異なる前記M個の周波数信号からなる前記第1の帯域のN個のベースバンド信号にダウンコンバートするダウンコンバート手段と、
前記ダウンコンバート手段から出力される前記N個のベースバンド信号のうち対応するベースバンド信号をA/D変換し、帯域幅が入力されるベースバンド信号の帯域幅以下であるN個の信号処理器と、前記N個の信号処理器から出力されるデジタル信号に基づいて前記N個のベースバンド信号の振幅及び位相を解析するコンピュータとを含む解析手段と、
前記アップコンバート及び前記ダウンコンバートにおいて生成される対応する前記ベースバンド信号の周波数の同一性を担保するための基準周波数を規定する前記N個の発振器とを備え、
前記縦続接続多重化チップを構成する前記M×N個の超伝導検出器が大規模超伝導検出器アレイを構成し、前記縦続接続多重化チップ及び前記広帯域の増幅器は極低温環境下で動作するとともに、前記縦続接続多重化チップは、室温環境下で動作する前記周波数分割多重信号生成手段から前記第1の周波数分割多重信号が1本の第1の信号線を介して供給され、前記広帯域の増幅器を通して前記第2の周波数分割多重信号を室温環境下で動作する前記信号分配手段へ1本の第2の信号線を介して供給することを特徴とする周波数多重読出装置。 A readout chip having M superconducting resonance circuits having different resonance frequencies (where M is a natural number of 2 or more), and the resonance frequencies of the M superconducting resonance circuits are independent of each other according to a detection signal. Multiplexing chips composed of M detection chips having M superconducting detectors to be changed are connected in cascade with different resonance frequencies from each other, where N is a natural number of 2 or more. A first frequency division multiplex signal in a high frequency band consisting of M × N frequency signals having the same frequency as the resonance frequency of the M × N superconducting resonance circuits in the readout chip is supplied, and M × N A cascaded multiplexing chip that outputs a second frequency division multiplexed signal in the high frequency band composed of the M × N frequency signals whose amplitude and phase are controlled in accordance with the detection signal of the superconducting detector;
A broadband amplifier for amplifying and outputting the second frequency division multiplexed signal output from the cascade connection multiplexing chip;
N baseband signals, which are signals of the first band in an arbitrary waveform in which M frequency signals are frequency-division-multiplexed, are generated by changing the frequencies of the frequency signals from each other, and the N baseband signals are generated. , Up-converting into N high-frequency signals having different bands in the high-frequency band, and frequency-division-multiplexing the N high-frequency signals after the up-conversion to obtain a total bandwidth of the wideband amplifier band. A frequency division multiplex signal generating means for generating a frequency division multiplex signal having a second band less than the width and supplying the frequency division multiplex signal to the cascade connection multiplexing chip as the first frequency division multiplex signal;
Signal distribution means for distributing the second frequency division multiplexed signal output from the broadband amplifier into N;
Down-converting the N second frequency division multiplexed signals distributed by the signal distribution means into N baseband signals in the first band composed of the M frequency signals having different frequencies. Conversion means;
N signal processors that perform A / D conversion on a corresponding baseband signal among the N baseband signals output from the down-conversion means, and whose bandwidth is equal to or less than the bandwidth of the input baseband signal And analysis means including a computer for analyzing the amplitude and phase of the N baseband signals based on the digital signals output from the N signal processors ,
The N oscillators defining reference frequencies for ensuring the frequency identity of the corresponding baseband signals generated in the up-conversion and the down-conversion,
The M × N superconducting detectors constituting the cascade multiplexing chip constitute a large-scale superconducting detector array, and the cascade multiplexing chip and the broadband amplifier operate in a cryogenic environment. In addition, the cascade connection multiplexing chip is supplied with the first frequency division multiplexed signal from the frequency division multiplexed signal generating means operating in a room temperature environment through one first signal line, and the broadband A frequency division multiplex reading apparatus, characterized in that the second frequency division multiplexed signal is supplied through an amplifier to the signal distribution means operating in a room temperature environment via one second signal line.
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