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Cryogenic read-out system and resonator optimisation for the microwave SQUID multiplexer within the ECHo experiment

Ahrens, Felix Klaus

German Title: Kryogenes Auslesesystem und Resonatoroptimierung für den Mikrowellen-SQUID-Multiplexer innerhalb des ECHo-Experiments

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The framework of this thesis is the development of a dedicated microwave SQUID multiplexing read-out system for the ECHo experiment, which aims at the investigation of the effective electron neutrino mass by means of arrays of magnetic microcalorimeters implanted with Ho-163. The first part of this work is focused on the development of the cryogenic microwave read-out system to read out about 6000 microwave SQUID multiplexer (μMUX) channels. Based on simulations employing a developed software package, the best configuration in terms of noise performance, system linearity and power dissipation has been found. A demonstration system has been set up and its conformity with the design targets has been proven experimentally, in particular a system noise temperature of about 4K could be demonstrated. The second part of this thesis is dedicated to pinpoint the optimal resonator geometry for the μMUX. For the well-established coplanar waveguide (CPW) resonators, an innovative resonance frequency fine-tuning technique has been introduced and demonstrated for the first time, yielding more than a factor of five of improvement in the accuracy of the resonance frequency spacing between neighbouring resonators. Lumped element resonators (LERs), on the other hand, feature a more compact design and an LER-based μMUX theoretically exhibits a better noise performance than a CPW-based μMUX. However, a white magnetic flux noise level of ∼0.2 μΦ0/√Hz for CPW-based μMUX and ∼0.6 μΦ0/√Hz for LER-based μMUX has been measured. The difference could be traced back to additional loss mechanisms in the LER accidentally occurring for the investigated devices. A rescaling compensating for these losses reveals a potential white magnetic flux noise level of ∼0.2 μΦ0/√Hz for both resonator geometries.

Translation of abstract (German)

Den Rahmen dieser Arbeit bildet die Entwicklung eines auf Mikrowellen-SQUIDMultiplexern basierenden Auslesesystems für das ECHo-Experiment. Das Ziel des ECHo-Experiments ist die Untersuchung der effektiven Elektron-Neutrinomasse mithilfe von Detektorarrays, die aus mit 163Ho implantierten magnetischen Mikrokalorimetern aufgebaut sind. Der erste Teil der vorliegenden Arbeit ist der Entwicklung eines kryogenen Auslesesystems gewidmet, welches etwa 6000 Mikrowellen-SQUIDMultiplexer-Kanäle auslesen soll. Basierend auf Simulationen mithilfe eines speziell für diesen Zweck entwickelten Software-Pakets wurde der beste Aufbau in Bezug auf das Rauschen, auf die Linearität des Systems und auf die Leistungsdissipation gefunden. Ein Demonstrator wurde aufgebaut und die Konformität mit den angestrebten Entwurfswerten wurde experimentell bestätigt, insbesondere eine Rauschtemperatur von etwa 4K konnte demonstriert werden. Der zweite Teil der vorliegenden Arbeit konzentriert sich auf die Bestimmung der optimalen Resonatorgeometrie für den Mikrowellen-SQUID-Multiplexer (μMUX). Für die bereits etablierten koplanaren Leitungsresonatoren (CPW) wurde eine innovative Methode zur Anpassung der Resonanzfrequenz erstmalig eingeführt und demonstriert. Dabei konnte die Genauigkeit, mit der der Abstand zwischen benachbarten Resonanzfrequenzen eingestellt werden kann, um mehr als einen Faktor fünf verbessert werden. Resonatoren, die aus konzentrierten Elementen aufgebaut sind (LER), sind deutlich kompakter als CPWResonatoren. Zusätzlich weist ein LER-basierter μMUX zumindest theoretisch ein geringeres Rauschniveau auf als ein CPW-basierter μMUX. Es konnte jedoch ein weißes Flussrauschen von ∼0.2 μΦ0/√Hz für CPW-basierte μMUX-Kanäle und ein weißes Flussrauschen von ∼0.6 μΦ0/√Hz für LER-basierte μMUX-Kanäle gemessen werden. Dieser Unterschied konnte auf zusätzliche Verlustmechanismen zurückgeführt werden, die unbeabsichtigt in den LER-basierten μMUX-Kanälen auftraten. Eine Reskalierung, die die Verlustmechanismen kompensiert, ergab, dass potentiell mit beiden Resonatorgeometrien ein weißes Flussrauschen von ∼0.2 μΦ0/√Hz möglich sein sollte.

Document type: Dissertation
Supervisor: Enss, Prof. Dr. Christian
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 28 July 2022
Date Deposited: 15 Aug 2022 11:31
Date: 2022
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
DDC-classification: 530 Physics
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