Back-end Design of the Readout System for Cryogenic Particle Detectors

Diese Arbeit widmet sich dem Design und der Entwicklung des digitalen Back-Ends (D-BE) für Raumtemperatur-Ausleseelektronik, die in kryogenen Quantendetektoren verwendet wird. Der Schwerpunkt liegt auf Anwendungen im Zusammenhang mit Experimenten zur Kosmischen Hintergrundstrahlung (CMB, im Englischen \textit{Cosmic Microwave Background radiation} genannt), jedoch ist die Technologie anpassbar für Partikeldetektionsexperimente. Zwei Schlüsselprojekte stehen im Mittelpunkt dieser Forschung: das QUBIC-Projekt zur Erkennung der B-Mode-Polarisation des CMB und das ECHo-Experiment, das darauf abzielt, eine neue Obergrenze für die Bestimmung der Neutrinomasse im Sub-eV-Bereich festzulegen. ... mehrIn diesen Projekten werden Übergangskanten-Sensoren (TES) und magnetische Mikrokalorimeter (MMCs) eingesetzt.

Im Fall des QUBIC-Projekts werden die TES unter Verwendung von Zeitaufteilungsmultiplexing (TDM) gemultiplext. Es wurde jedoch ein Vorschlag für einen neuen Bolo\-meter-Typ namens Magnetischer Mikrobolometer (MMB) in der QUBIC-Kollaboration vorgestellt, der die Implementierung eines Frequenzaufteilungsmultiplexing (FDM)-Sys\-tems ermöglicht. Dies könnte durch die Verwendung eines Mikrowellen-Supraleiter-Quan\-teninterferenzgerät (SQUID)-Multiplexers ($\mu$MUX) erreicht werden, ähnlich wie bei den MMCs im ECHo-Experiment. Zur Erleichterung der Auslese der gemultiplexten Detektoren wird ein mehrtoniges Signal erzeugt, wobei jede Frequenztonkomponente einen $\mu$MUX-Kanal innerhalb des Kryostaten überwacht. Dieses Signal passiert dann einen rauscharmen Verstärker (LNA, im Englischen \textit{Low-Noise Amplifier} genannt), der in der Regel in der 4 K-Stufe liegt, bevor es das Hochfrequenz-Front-End (RF-FE) erreicht. Das RF-FE umfasst Hochfrequenzelektronik, die sowohl mit dem D-BE als auch mit der Elektronik im Kryostaten verbunden ist.

Diese Arbeit stellt eine neuartige Anwendung des Goertzel-Filters zur Kanalisierung von mehrtonigen Signalen vor. Durch Simulationen, die mit einem in dieser Arbeit entwickelten auf Python basierenden Softwarepaket durchgeführt wurden, wurde die optimale Konfiguration für die Signalgenerierung und -erfassung in Bezug auf Rauschleistung, Abschirmung gegen Übersprechen und Systemlinearität ermittelt. Diese Arbeit zeigt, wie dieser Ansatz effizient in einem Field Programmable Gate Array (FPGA) implementiert werden kann, was die Skalierbarkeit bei der Auslese mehrerer Sensoren ermöglicht. Diese Skalierung is im Besonderen in Anwendungen wie Radioteleskopen für CMB-Messungen, kryogenen Kalorimetern für die Partikeldetektion und Quantencomputing entscheidend. Umfangreiche Validierungsexperimente zeigen, wie die Implementierung dieses Filtersatzes die Kanalisierung des mehrtonigen Eingangssignals zur Wiederherstellung der von den Detektoren aufgezeichneten Daten ermöglicht.

This thesis is dedicated to the design and development of the digital back-end (D-BE) for room temperature read-out electronics used in cryogenic quantum detectors. The primary focus is on applications related to Cosmic Microwave Background (CMB) experiments, although the technology is adaptable for particle detection experiments. Two key projects are the main focus of this research: the QUBIC project, designed to detect the B-mode polarization of the CMB, and the ECHo experiment, aimed at setting a new upper limit for neutrino mass determination in the sub-eV range. In these projects Transition Edge Sensors (TES) and Magnetic Microcalorimeters (MMCs) are employed.
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In the case of the QUBIC project, the TES are multiplexed using time division multiplexing (TDM). However, a proposal for a new type of bolometer, known as the Magnetic Microbolometer (MMB), was presented in the QUBIC Collaboration which opens the door to implementing a Frequency Division Multiplexing (FDM) system. This could be achieved through the use of a Microwave Superconducting Quantum Interference Device (SQUID) Multiplexer ($\mu$MUX), similar to the MMCs in the ECHo Experiment. To facilitate the read-out of the multiplexed detectors, a multi-tonal signal is generated, with each frequency tone component monitoring a $\mu$MUX channel within the cryostat. This signal then passes through a Low-Noise Amplifier (LNA), typically located in the 4 K stage, before reaching the Radio-Frequency Front-End (RF-FE). The RF-FE comprises high-frequency electronics that interface with both the D-BE and the cold electronics.

This work introduces a novel application of the Goertzel Filter for channelizing multi-tonal signals. Through simulations conducted using a Python-based software package developed in this thesis, the most favorable arrangements for both signal generation and acquisition have been successfully identified, taking into consideration factors such as noise performance, cross-talk isolation, and system linearity. This thesis demonstrates how this approach can be efficiently implemented in a Field Programmable Gate Array (FPGA), allowing for scalability in reading multiple sensors. This capability is particularly crucial in various applications, including radio telescopes for Cosmic Microwave Background (CMB) surveys, cryogenic calorimeters for particle detection, and quantum computing. Extensive validation experiments showcase how the implementation of a filter bank enables the channelization of the multi-tonal input signal to retrieve the imprinted data from the detectors.