Signal Processing in Microwave SQUID Multiplexer-Based Systems for Readout of Magnetic Microbolometers Detector Arrays

Das Magnetische Mikrobolometer (MMB), ein neuartiger Tieftemperaturdetektor, stellt dank seiner hohen Empfindlichkeit eine vielversprechende Technologie für eine breite Palette von fortschrittlichen Experimenten dar, die Anordnungen kryogener Detektoren verwenden.

Aufgrund seines hohen Multiplexfaktors und seiner hohen Sensitivität, die durch die Verwendung von Radiofrequenz-Superconducting Quantum Interference Devices (rf-SQUID) erreicht wird, ist der Mikrowellen-SQUID-Multiplexer (μMUX) das ausgewählte System für die Auslese der MMBs . Gleichzeitig erfordert der μMUX eine Elektronik bei Umgebungstemperatur (RTE), die auf einem Software-defined Radio (SDR)-Schema beruht, was die gleichzeitige Messung des gesamten Detektorarrays ermöglicht und hohe Vielseitigkeit und Flexibilität bietet.
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Diese Dissertation trägt zur Entwicklung des RTE-Systems zur Auslesung von MMB-Arrays bei und stellt das Design eines Erfassungssystems für 1024 Kanäle eines μMUX mit einer Bandbreite von 4 GHz bis 8 GHz vor. Obwohl die Anforderungen des Systems auf dem Q&U-Bolometer-Interferometer für die Kosmologie (QUBIC) beruhen, dessen wissenschaftliches Ziel die Detektion der Polarisation der Kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (CMB) ist, ermöglicht die Flexibilität des Systems seine Anpassung an andere Experimente. Diese Anpassungsfähigkeit macht das System zu einem wertvollen Werkzeug für eine Vielzahl wissenschaftlicher Instrumente, die rauscharme Detektorarrays verwenden.

Das Hauptziel dieser Forschung ist es, die Modulationssignal-Generierung der Detektoren zu entwerfen und umzusetzen, das Design der Signalstruktur, einschließlich des Niedrigtemperatur-Setups, sowie die erforderlichen Signalverarbeitungsalgorithmen. Darüber hinaus wird die Charakterisierung und Verifizierung dieses Designs für die Anwendung auf MMBs durchgeführt. Als Teil der Systemintegration wird ein Mehrkanal-Demodulator implementiert, um die Signale jedes Detektors zu extrahieren. Der Demodulator wird vollständig in das Erfassungs- und Verarbeitungssystem integriert.

Schließlich wird ein vollständiger Prototyp assemblierte, der die RTE und das kryogene Setup umfasst, um 4 Kanäle eines μMUX zu messen. Das Ergebnis dieser Dissertation ist die erste Version eines vollständig integrierten und funktionalen Systems zur Auslesung eines MMB-Arrays.

The Magnetic Microbolometer (MMB), an innovative low-temperature detector, represents a promising technology for a wide range of cutting-edge experiments utilizing arrays of cryogenic detectors, due to its expected high sensitivity.

The microwave SQUID multiplexer (μMUX) is the system chosen for readout the MMBs due to its high multiplexing factor and great sensitivity, thanks to the use of radio frequency Superconducting Quantum Interference Devices (rf-SQUIDs). At the same time, the μMUX requires a room temperature Electronics (RTE), based on a Software-defined Radio (SDR) scheme, which enables the simultaneous measurement of the entire detector array, providing high versatility and flexibility.
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This thesis contributes to the development of the RTE system for the measurement of MMB arrays, presenting the design of an acquisition system for 1024 channels of a μMUX with a bandwidth of 4 GHz to 8 GHz. While the system's requirements are based on the Q&U Bolometric Interferometer for Cosmology (QUBIC), whose scientific motivation is the detection of the polarization of the Cosmic Microwave Background (CMB), the system's flexibility allows its adaptation to other experiments. This adaptability makes the system a valuable tool for a wide range of scientific instruments that require the measurement of high-density, low-noise detector arrays.

The main objective of this research is to design and implement the generation of the modulation signal for the detectors, the design of the signal chain, which includes the low-temperature setup, and the processing algorithms. Additionally, the characterization and verification of this design applied to the MMBs are carried out. As part of the system, a multi-channel demodulator is implemented to extract the signals from each detector. The demodulator is fully integrated into the acquisition and processing system.

Finally, a complete prototype is assembled, which includes the RTE and the cryogenic setup for measuring 4 channels of a μMUX. As a result, this thesis presents the first version of a fully integrated and functional system for the readout of an MMB array.