Arnaldi, Luis H. (2021) Técnicas avanzadas de procesamiento digital con aplicaciones en microresonadores superconductores multipíxeles / Advanced digital processing techniques with applications in multi-pixel superconducting microresonators. Tesis Doctoral en Ciencias de la Ingeniería, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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Resumen en español
Los detectores de baja temperatura han sido un tema de gran interés para la comunidad científica durante los últimos años. La temperatura extremadamente baja a la que trabajan conduce a detectores ultrasensibles que operan en un amplio rango de longitudes de onda. En cosmología, en particular, los experimentos que estudiaron el fondo cósmico de microondas (CMB) permitieron una exploración y comprensión más profundas del cosmos, utilizando para ello detectores criogénicos tales como los bolómetros. Estos detectores criogénicos son ultrasensibles porque su ruido es comparable a las fluctuaciones intrínsecas de la radiación en estudio. Sin embargo, se necesita una ganancia adicional en la sensibilidad para sondear el Universo temprano, estudiando, por ejemplo, la señal de polarización del CMB. Tal ganancia tiene que surgir de planos focales más grandes, con arreglos de miles de detectores independientes que brindan una velocidad de mapeo sin precedentes. En este sentido, los microresonadores superconductores, como los detectores de inductancia cinética de microondas (MKIDs), tienen el potencial de jugar un papel clave en futuros experimentos, ya que tienen muchas características que los hacen ideales para matrices de detectores muy grandes. El desafío actual es fabricar matrices de imágenes en un formato extremadamente grande ( ≥ 10.000 píxeles), para lograr amplios campos de visión en los instrumentos, y colocar matrices de imágenes en el espacio. Asociado a los desafíos mencionados, está el desafío de lograr la fabricación de sistemas electrónicos de excitación y lectura capaces de trabajar con estos grandes arreglos de detectores. Los sistemas electrónicos dedicados a la excitación y lectura de los detectores superconductores deben tener gran capacidad computacional y deben poder procesar grandes cantidades de datos en tiempos relativamente cortos. El aporte original de este trabajo de tesis consiste en el estudio, comparación y desarrollo de técnicas digitales de optimización en el uso de harware, para la implementación de sistemas de excitación y lectura de matrices de detectores superconductores. Se investigan de manera exhaustiva las implementaciones de bancos de filtros polifásicos. Se consideran las estructuras de ramas en paralelo y las estructuras de árbol, tanto en una etapa como multietapas, como opciones para los sistemas de lectura de grandes arreglos de detectores. Por otra parte, el trabajo presentado incluye también la optimización de las señales que sirven de excitación a los detectores resonadores, gracias al desarrollo de algoritmos eficientes para la generación de fases en señales multifrecuencia. Se presenta un análisis de niveles de señal y de hardware necesario para el armado de un sistema completo de excitación y lectura para detectores resonadores superconductores. Además, se incluye un capítulo de caracterizaciones en detectores reales. Se muestra el arreglo experimental necesario para hacer funcionar estos detectores a baja temperatura y se analiza la respuesta de un subgrupo de detectores para determinar características intrínsecas de los resonadores. La tesis está organizada de la siguiente manera: El Capítulo 1 presenta una introducción a la cosmología, a los detectores superconductores y al marco científico general que sirve para entender la necesidad de desarrollar sistemas electrónicos cuya utilización de hardware esté optimizada. Son de interés, en particular, los experimentos que utilizan microresonadores superconductores como elementos de detección de fotones y estudios de caracterizaci ón de la polarización del fondo cósmico de microondas, porque es uno de los campos que más ha avanzado el desarrollo de la tecnología de detección en los últimos años, en las áreas de física de partículas y astronomía. Además, se presentan las principales características, así como el modelo eléctrico, de los detectores MKID, para comprender las necesidades de la electrónica desarrollada para su excitación y lectura. En el Capítulo 2 se describen las placas electrónicas con las que se trabajó en el desarrollo de esta tesis. Se presentan las necesidades generales con las que debe contar un sistema digital de excitación y lectura para detectores de bajas temperaturas. El capítulo cuenta con un análisis completo de los niveles de señal esperados en las diferentes etapas de un sistema de excitación y lectura para detectores microresonadores superconductores. Además, se desarrolla la teoría que demuestra cómo es posible optimizar las señales de excitación de los resonadores, actuando sobre las fases y las amplitudes generadas. Esta es una de las principales contribuciones de esta tesis, ya que permite obtener un conjunto de señales óptimo para la excitación de los detectores superconductores. En el Capítulo 3 se investigan y comparan las diferentes implementaciones de fitros polifásicos para ser aplicados a una FPGA. Se estudian las implementaciones críticamente muestreada y sobremuestreada para entender los factores que influyen en el uso de recursos de hardware. El capítulo se complementa con implementaciones y pruebas de desempeño realizadas en la placa Red Pitaya. Se analizan las características eléctricas de los subsistemas de entrada y salida, luego de incorporar un banco de filtros polifásicos en la FPGA. El material presentado en este capítulo derivó en la presentación de un artículo en una prestigiosa revista internacional [1] y otro en un congreso de la IEEE [2]. En el Capítulo 4 se desarrolla el trabajo necesario para optimizar el uso de hardware en la FPGA. Se aborda el estudio de sistemas multietapas y se comparan diferentes opciones de implementación, incluyendo la implementación de sistemas multitasa en forma de árbol. Todo este trabajo se realiza tendiendo a obtener un sistema de lectura capaz de manejar más de 10.000 detectores resonadores superconductores. En el Capítulo 5 se describen algunas de las caracterizaciones de detectores MKID realizadas en el marco de mi trabajo en conjunto con investigadores del Fermi National Laboratory. El capítulo aborda el estudio de las propiedades de un arreglo de MKID diseñado por la Universidad de California, en Santa Bárbara (UCSB). En el Capítulo 6 se presentan las conclusiones generales de la tesis, así como los posibles trabajos futuros que pueden desprenderse de este trabajo.
Resumen en inglés
Low temperature detectors have been a topic of great interest to the scientic community in recent years. The extremely low temperature at which they work leads to ultra-sensitive detectors that operate in a wide range of wavelengths. In cosmology, in particular, experiments that studied the cosmic microwave background (CMB) allowed a deeper exploration and understanding of the cosmos, using cryogenic detectors such as bolometers. These cryogenic detectors are ultra-sensitive because their noise is comparable to the intrinsic fluctuations of the radiation under study. However, an additional gain in sensitivity is needed to probe the early Universe, studying, for example, the polarization signal of the CMB. Such gain has to come from larger focal planes, with arrays of thousands of independent detectors providing unprecedented mapping speed. In this sense, superconducting micro-resonators, such as Microwave Kinetic Inductance Detectors (MKIDs), have the potential to play a key role in future experiments, as they have many characteristics that make them ideal for very large detector arrays. The current challenge is to fabricate image arrays in an extremely large format ( ≥ 10.000 pixels), to achieve wide fields of view on instruments, and to place image arrays in space. Associated with the aforementioned challenges is the challenge of achieving the manufacture of electronic excitation and readout systems capable of working with these large arrays of detectors. Electronic systems dedicated to the excitation and readout of superconducting detectors must have great computational capacity and must be able to process large amounts of data in relatively short times. The original contribution of this thesis consists of the study, comparison and development of digital optimization techniques in the use of hardware, for the implementation of readout systems for superconducting detector arrays. Polyphase filter bank implementations are extensively investigated. Parallel branch structures and tree structures, both single-stage and multi-stage, are considered as options for the readout systems of large arrays of detectors. On the other hand, the work presented also includes the optimization of the signals that excite the resonator detectors, thanks to the development of ecient algorithms for the generation of phases in multi-frequency signals. An analysis of signal levels and hardware necessary for the assembly of a complete excitation and reading system for superconducting resonator detectors is presented. In addition, a chapter on characterizations in real detectors is included. The experimental setup required to operate these detectors at low temperature is shown and the response of a subset of detectors is analyzed to determine intrinsic characteristics of the resonators. The thesis is organized as follows: Chapter 1 presents an introduction to cosmology, superconducting detectors and the general scientific framework that serves to understand the need to develop electronic systems whose use of hardware is optimized. Of particular interest are experiments using superconducting micro-resonators as photon detection elements and studies to characterize the cosmic microwave background polarization (CMB), because it is one of the elds that has advanced the most in technology in the last years in the areas of particle physics and astronomy. In addition, the main characteristics, as well as the electrical model, of the MKID detectors are presented, to understand the needs of the electronics developed for their excitation and reading. In Chapter 2 the electronic boards with which we worked in the development of this thesis are described. The general needs of a digital excitation and reading system for low temperature detectors are presented. The chapter has a complete analysis of the expected signal levels in the different stages of an excitation and reading system for superconducting microresonator detectors. In addition, the theory is developed that demonstrates how it is possible to optimize the excitation signals of the resonators, acting on the phases and the amplitudes generated. This is one of the main contributions of this thesis, since it allows obtaining an optimal set of signals for the excitation of superconducting detectors. Chapter 3 the dierent implementations of polyphase filters to be applied to an FPGA are investigated and compared. Critically sampled and oversampled implementations are studied to understand the factors they include in the use of hardware resources. The chapter is complemented by implementations and performance tests carried out on the Red Pitaya board. The electrical characteristics of the input and output subsystems are analyzed, after incorporating a polyphase filter bank in the FPGA. The material presented in this chapter led to the presentation of an article in a prestigious international journal [1] and another at an IEEE congress [2]. Chapter 4 develops the work necessary to optimize the use of hardware in the FPGA. The study of multi-stage systems is approached and different implementation options are compared, including the implementation of multi-rate systems in the form of a tree. All this work is carried out tending to obtain a reading system capable of handling more than 10.000 superconducting resonator detectors. In Chapter 5 some of the MKID characterizations performed in the framework of my work in conjunction with researchers from the Fermi National Laboratory in the United States of America are described. The chapter deals with the study of the properties of an MKID array designed by the University of California, Santa Barbara (UCSB). In Chapter 6 the general conclusions of the thesis are presented, as well as the possible future works that can be derived from this work.
| Tipo de objeto: | Tesis (Tesis Doctoral en Ciencias de la Ingeniería) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Superconductors; Superconductores; [Polyphase filter; Filtros polifásicos; Digital multirate processing; Procesamiento digital multitasa; Micro resonators; Micro resonadores; Kinetic inductance; Inductancia cinética; Detectors; Detectores] |
| Materias: | Ingeniería en telecomunicaciones > Procesamiento digital de señales |
| Divisiones: | Gcia. de área de Investigación y aplicaciones no nucleares > Gcia. de Física > Sistemas complejos y altas energías > Partículas y campos |
| Código ID: | 985 |
| Depositado Por: | Marisa G. Velazco Aldao |
| Depositado En: | 05 Oct 2021 11:24 |
| Última Modificación: | 05 Oct 2021 12:01 |
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