Técnicas avanzadas de procesamiento digital con aplicaciones en microresonadores superconductores multipíxeles
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, lo...
Guardado en:
| Autor principal: | |
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| Formato: | Tesis NonPeerReviewed |
| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
2021
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| Materias: | |
| Acceso en línea: | http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/985/1/Arnaldi.pdf |
| Aporte de: |
| Sumario: | 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. |
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