徐达 钟青† 曹文会 王雪深 王仕建李劲劲‡ 刘建设 陈炜

1) (中国计量科学研究院, 前沿计量科学中心, 北京 102200)

2) (清华大学, 微电子学研究所, 北京 100084)

1 引 言

超导量子干涉仪(superconducting quantum interference device, SQUID)具有极高的探测灵敏度, 其等效能量分辨率接近量子极限, 是目前最灵敏的磁场传感器和电流传感器[1,2].因此, SQUID的应用非常广泛, 不仅作为磁场传感器, 用于地磁、心磁和脑磁等微弱磁场信号的探测, 还作为电流传感器, 用于超导转变边缘探测器(transitionedge sensor, TES)、磁性金属微量能器等低噪声探测器的微弱电流信号读出[3,4].目前, SQUID电流传感器已发展成为TES的微弱信号读出的唯一选择, 与TES一起成为天文探测、粒子物理以及辐射计量等大型科学装置的关键核心器件[5-7].由于TES的噪声和阻抗很小, 与常用场效应晶体管放大器不匹配, 因此, 最初TES很少有实际应用.在2000年前后, 美国国家标准技术研究院(NIST)研究人员使用SQUID电流传感器解决了这个问题[1],这是由于SQUID器件噪声很小, 而且阻抗与TES匹配.随后, NIST研究人员开始发展用于TES阵列读出的SQUID多种复用读出技术[8].在2010年之后, SQUID的时分复用、码分复用和频分复用读出TES阵列技术逐渐成熟[3], 同时, NIST和海德堡大学又开始发展了微波复用SQUID读出技术[9,10], 用于读出具有更多像素的TES阵列.

对于单个TES信号读出, 一般采用两级SQUID读出方案[11], 其中, 第一级采用低噪声水平的单个SQUID, 读取TES的微弱电流信号变化; 第二级采用SQUID阵列, 放大第一级SQUID的输出信号.第一级SQUID通常与TES一起工作, 极易受到外界磁场的干扰, 因此, 需……