Digital Active Nulling for Frequency-Multiplexed Bolometer Readout: Performance and Latency
我们考虑的稳定性和性能的离散时间控制回路作为一个动态零在存在一个相对较大的时间延迟，在其反馈path.Controllers这种形式出现在毫米波望远镜使用频率复用过渡边缘传感器（TES）测辐射热计。在这种应用中，需要负反馈来线性化用作放大器的超导量子干涉器件（SQUID）。$M$这样的反馈回路通过SQUID在MHz区域中的不同窄带频率处进行频率复用。环路延迟源于多相滤波器组（PFB）上变频器和下变频器的使用，并且随着这些实验中检测器数量的增加而显著增加。正如预期的那样，延迟对环路稳定的总增益$K$施加了限制。然而，延迟也在闭环的频谱响应中的稳定增益处产生频谱峰值。在这些峰值附近，反馈环路在其求和点放大（而不是抑制）输入信号，使其不适合在稳定增益范围内调零。我们建立了一个临界增益$K_C$以上，这种放大或“反归零”的行为出现，并发现，$K_C$是约3.8倍以下的系统变得不稳定的增益。最后，我们描述了一个改变环路调谐算法，选择一个适当的（稳定的，有效的归零）环路增益，而不敏感的变化，由于组件的公差模拟增益。
2022-07-22 astro-ph.IM
Readout of two-kilopixel transition-edge sensor arrays for Advanced ACTPol
先进的ACTPol是六米阿塔卡玛宇宙望远镜（ACT）的仪器升级，旨在测量宇宙微波背景（CMB）的温度和偏振与弧分尺度的角分辨率。为了实现其科学目标，Advanced ACTPol利用比任何先前CMB实验更大的读出复用因子来测量探测器阵列，每个150 mm探测器晶片中具有大约2000个过渡边缘传感器（TES）测辐射热计。我们提出了先进的ACTPol时分复用读出架构与64行复用因子的实施和测试。这包括测试单个多色探测器像素和超导量子干涉器件（SQUID）多路复用芯片，以及测试和优化集成读出电子设备。特别是，我们描述了新的自动化多路复用SQUID调谐程序开发，以选择和优化读出每个高级ACTPol阵列所需的数千个SQUID参数。每个阵列中的多色检测器像素针对每个偏振和两个频率中的每一个使用单独的通道，使得每个像素必须读出四个TES。所面临的挑战包括：与ACTPol相比，每个多路复用读出通道的探测器数量增加一倍，以及优化奈奎斯特电感，以最大限度地减少探测器和SQUID噪声混叠。
2016-07-20 astro-ph.CO astro-ph.IM
Frequency Multiplexed SQUID Readout of Large Bolometer Arrays for Cosmic Microwave Background Measurements
采用在亚开尔文温度下工作的过渡边缘传感器（TES）测辐射热计的实验的一个技术里程碑是部署具有100 - 1000个测辐射热计的探测器阵列。这种阵列的一个关键技术是读出复用：能够在同一组导线上同时读出许多传感器。本文介绍了一种用于APEX-SZ和南极望远镜毫米波接收机的频域多路复用读出系统。在该系统中，探测器阵列被划分为七个探测器的模块，并且模块内的每个测辐射热计用唯一的~MHz正弦载波偏置，使得各个测辐射热计信号在频率空间中被很好地分离。来自模块中所有测辐射热计的电流被加在一起，并使用在4 K下工作的超导量子干涉器件（SQUID）进行预放大。室温电子设备解调载波以恢复测辐射热计信号，测辐射热计信号被单独数字化并存储到磁盘上。该读出系统相对于检测器本身贡献很少的噪声，对不需要的颤噪激励非常不敏感，并且提供了多路复用更大数量的传感器的技术途径。
2012-07-17 astro-ph.IM physics.ins-det
Millimeter-wave bolometer array receiver for the Atacama pathfinder experiment Sunyaev-Zel'dovich (APEX-SZ) instrument
阿塔卡马探路者实验Sunyaev-Zel'dovich（APEX-SZ）仪器是一个毫米波低温接收器，旨在通过智利阿塔卡马高原12米APEX望远镜的Sunyaev-Zel'dovich效应观测星系团。接收器包含280个超导过渡边缘传感器（TES）测辐射热计与频域多路复用读出系统的焦平面。通过三级氦吸附制冷机和机械脉冲管冷却器将测辐射热计冷却至280 mK。三个暖镜，两个4K透镜和一个喇叭阵列将TES测辐射热计耦合到望远镜。APEX-SZ在150 GHz的单频带内进行观测，具有1“角分辨率和22”视场，非常适合集群映射。APEX-SZ接收机在引入几项新技术方面发挥了关键作用，包括TES测辐射热计、频域多路复用读出以及使用脉冲管冷却器和测辐射热计。由于采用了这些新技术，该仪器比前几代Sunyaev-Zel'dovich仪器具有更高的瞬时灵敏度和更大的视场。TES测辐射热计的灵敏度中值为890 uKcmb-sqrt（s）（NEy为3.5e-4 sqrt（s））。我们还展示了具有530 uKcmb-sqrt（s）（NEy为2.2e-4 sqrt（s））的改进灵敏度的升级探测器。自2007年4月投入使用以来，APEX-SZ已被用于绘制48个集群。我们描述了接收机的设计和它的性能时，安装在APEX望远镜。
2012-04-17 astro-ph.CO astro-ph.IM
Multichroic TES Bolometers and Galaxy Cluster Mass Scaling Relations with the South Pole Telescope
南极望远镜（英语：South Pole Telescope）是一个高分辨率的微波频率望远镜，用于观测宇宙微波背景（CMB）。到目前为止，已经在SPT上安装了两台摄像机，对CMB进行了两次调查，第一次是强度调查（SPT-SZ），第二次是强度和偏振调查（SPTpol）。目前正在开发第三代偏振敏感相机（SPT-3G）。本论文介绍了工作跨越所有三个仪器上的SPT。我提出我的工作在时间颠倒的顺序，遵循仪器开发，部署和分析的规范叙述。首先，新的3波段多色过渡边缘传感器（TES）的SPT-3G实验测辐射热计的开发和测试进行了详细说明，其次是频率复用低温读出电子的SPTpol实验的开发和部署，并得出结论与SPT-SZ仪器所采取的数据分析。我描述了一个贝叶斯似然为基础的方法，我开发的测量综合康普顿化（YSZ）的星系团的Sunyaev-Zel 'dovich（SZ）效应，并限制星系团YSZ质量标度关系的发展。
2016-01-20 astro-ph.CO astro-ph.IM
Improved Performance of TES Bolometers using Digital Feedback
电压偏置、频率复用TES测辐射热计已成为毫米波天体物理学中广泛使用的工具。然而，寄生阻抗和动态范围问题可能会限制稳定性、性能和多路复用因素。在这里，我们提出了新的方法来克服这些挑战，通过数字反馈，现场可编程门阵列（FPGA）上实现。在第一种方法中，被称为数字主动调零（DAN），电流传感器（例如SQUID）在用于每个测辐射热计频率的单独数字反馈回路中被调零。这种调零消除了对电流传感器的动态范围限制，提高了其线性度，并降低了其有效输入阻抗。此外，DAN消除了对布线长度和最大复用频率的限制。DAN已全面实施和测试。目前的实验，包括南极望远镜的整合，将被讨论。我们还提出了一个数字机制，大大提高了稳定性的存在下，大串联阻抗，称为数字增强电压偏置（DEVB）。
2012-10-17 astro-ph.IM
Digital frequency multiplexing with sub-Kelvin SQUIDs
数字频率多路复用（dfMux）是一种用于基于过渡边缘传感器的探测器阵列的读出架构，并用于包括SPT-3G，POLARBEAR-2和LiteBIRD在内的望远镜。在这里，我们提出了最近的进展和计划，为数字频率复用测辐射热计的一个亚开尔文SQUID架构的发展。该方案将SQUID从4 K级移动到250 mK级，与测辐射热计相邻。在检测器台上操作SQUID可以提供更低的噪声和更大的可扩展性。由于布线长度减小和寄生效应减小，电气性能将得到改善，从而允许更高的复用因子和更低的测辐射热计R_normal。这些性能改进将为未来的仪器（如CMB-S4）提供超大焦平面。
2018-07-16 astro-ph.IM
SCUBA-2: iterative map-making with the Sub-Millimetre User Reduction Facility
亚毫米普通用户测辐射热计阵列2（SCUBA-2）是一种在15米詹姆斯·克拉克·麦克斯韦望远镜上运行的仪器，名义上由5120个测辐射热计组成，位于450和850微米的两个同步成像波段。该相机通过扫描整个天空并以200 Hz的速率记录数据来操作。作为新一代（亚）毫米级多路复用千像素测辐射热计相机中最大的一个，SCUBA-2数据分析是一项重大挑战。我们描述了生产的地图使用亚毫米用户减少设施（SMURF）中，我们采用了一种快速，迭代的方法来制图制作，使数据减少在单一的，现代的，高端的台式电脑，与执行时间通常比观察时间短。SMURF用于自动设置，既用于望远镜向观测者提供实时反馈，也用于为加拿大天文数据中心的JCMT科学档案制作科学产品。三个详细的案例研究被用来：（i）探索收敛性质的地图制造商使用简单的先验约束（天王星-点源）; ㈡达到微弱点源研究的白噪声极限（洛克曼洞河外空白区巡天）;以及（iii）证明我们的策略能够恢复与阵列足迹大小相当的角度尺度（大约5弧分）的明亮的扩展源（恒星形成区M17）。
2013-03-25 astro-ph.IM
On-sky performance of the SPT-3G frequency-domain multiplexed readout
频域多路复用（fMux）是一种用于读取大型过渡边缘传感器（TES）测辐射热计阵列的成熟技术。多路复用模块中的每个TES具有由谐振滤波器选择的唯一AC电压偏置。该方案使得能够在单对导线上操作和读出多个测辐射热计，从而减少亚开尔文级上的热负荷。目前在南极望远镜上的接收器SPT-3G使用68倍fMux系统来操作其$\sim$ 16，000 TES测辐射热计的大格式相机。我们在这里介绍的成功实施和性能的SPT-3G读出测量的天空。噪声的表征揭示了33 mHz的中值对差分1/f拐点频率，表明读出中的低频噪声不会限制SPT-3G在大角度尺度上对天空功率的测量。测量还表明，在每个SPT-3G观测波段的中值读出白噪声水平低于光子噪声的预期，表明SPT-3G是在光子噪声占主导地位的制度。
2019-07-25 astro-ph.IM physics.ins-det
Particle response of antenna-coupled TES arrays: results from SPIDER and the lab
未来的毫米波和亚毫米空间任务将采用多路复用过渡边缘传感器（TES）测辐射热计的大阵列。这些仪器必须应对大气层外宇宙射线的高通量，这些宇宙射线会导致测辐射热计数据出现“故障”，这对普朗克测辐射热计的数据分析构成了挑战。未来的仪器将面临共享衬底晶片和多路复用读出布线的额外挑战。在这项工作中，我们使用两组数据探索现代TES阵列对空间宇宙射线环境的敏感性：2015年SPIDER宇宙微波背景偏振计的长时间气球飞行，以及SPIDER飞行硬件对放射源的实验室暴露。我们发现可控的毛刺率和短毛刺持续时间，导致对SPIDER分析的影响最小。我们通过研究多探测器的重合约束能量在基板内的传播，并给出了初步的脉冲形状在实验室数据。
2020-02-13 astro-ph.IM physics.ins-det
MUSTANG: 90 GHz Science with the Green Bank Telescope
MUSTANG是一个90 GHz的测辐射热仪相机，作为100米罗伯特C。伯德格林班克射电望远镜（GBT）MUSTANG有一个8 × 8焦平面阵列的过渡边缘传感器测辐射热计读出使用时域多路复用SQUID电子。作为一个大型单碟连续谱仪器，MUSTANG具有高分辨率（8”）和对扩展发射的良好灵敏度，这使得它在广泛的银河系和河外科学中非常具有竞争力。调试于2008年1月完成，并收集了一些第一批科学数据。
2009-07-07 astro-ph.IM
Optimising the multiplex factor of the frequency domain multiplexed readout of the TES-based microcalorimeter imaging array for the X-IFU instrument on the Athena Xray observatory
雅典娜是一个空间X射线天文台，旨在探索炽热和充满活力的宇宙。雅典娜上的科学仪器之一将是X射线集成场单元（X-IFU），这是一种低温X射线光谱仪，基于在100 mK温度下工作的过渡边缘传感器（TES）的大型低温成像阵列微热计。成像阵列由3800个像素组成，提供2.5 eV的光谱分辨率，并覆盖直径为5弧分的视场。多路复用读出的低温微量热计阵列是必不可少的，以符合冷却功率和复杂性的限制，对航天器。为此目的，正在开发用于读出基于TES的探测器的频域多路复用，不仅用于X-IFU探测器阵列，而且用于日本SPICA天文台Safari仪器的基于TES的测辐射热计阵列。本文讨论的设计考虑，适用于优化的多重因素的边界条件内设置的航天器。更具体地说，科学要求，如像素动态范围，像素速度和串扰，和航天器的要求，如功耗预算，可用带宽和电磁兼容性之间的相互作用将被讨论。
2016-11-16 astro-ph.IM physics.ins-det
The Simons Observatory: Design and Initial Performance of the Detector Readout System for the Large-Aperture Telescope
Stanford University（斯坦福大学）；Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology（卡弗里粒子天体物理与宇宙学研究所）；SLAC National Accelerator Laboratory（SLAC国家加速器实验室）；University of California San Diego（加州大学圣地亚哥分校）；University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）；Princeton University（普林斯顿大学）
本文介绍西蒙斯天文台大口径望远镜的低温超导探测器读出系统设计，采用微波频率多路复用实现每传输线读出860个测热辐射计，成功读出81.4%探测器，性能满足关键基准。
2026-10-01 astro-ph.CO astro-ph.IM
Anomalous Frequency Noise from the Megahertz Channelizing Resonators in Frequency-Division Multiplexed Transition Edge Sensor Readout
超导光刻谐振器在低温探测器的多路复用读出中具有广泛的当前和潜在的应用。在这里，我们专注于LC带通滤波器的谐振频率在1-5 MHz的范围内使用的过渡边缘传感器（TES）测辐射热计读出的西蒙斯阵列宇宙微波背景（CMB）实验。在该读出方案中，每个检测器信号在检测器的伴随LC滤波器的谐振频率处对正弦载波音调进行幅度调制。许多调制信号通过同一对线传输，正交解调恢复复检波器信号。我们观察到的LC滤波器的谐振频率，这主要是作为一个依赖于电流的噪声在解调后的正交分量中的噪声的噪声。这种噪声具有丰富的现象学，与GHz范围内类似谐振器中观察到的两级系统（TLS）噪声有许多相似之处。这些相似之处表明了一个共同的物理起源，从而提供了一个新的制度，其中潜在的物理学可能被探测。我们进一步描述了所观察到的非正交性之间的噪声和检测器的响应度，并提出实验室测量，约束所产生的灵敏度惩罚预期在西蒙斯阵列。根据这些结果，我们预计这种噪声不会明显影响整体西蒙斯阵列灵敏度，也不会限制未来的实现。
2021-02-19 astro-ph.IM cond-mat.supr-con
The NIKA instrument: results and perspectives towards a permanent KID based camera for the Pico Veleta observatory
新的IRAM KIDS阵列（NIKA）是一种专门用于毫米天文学的探路者仪器。2009年，它是第一个在天空中使用的多路复用KID相机;目前它安装在Pico Veleta（西班牙）的IRAM 30米望远镜的焦平面上。我们提供了上一次观测运行的初步数据，以及将于2015年投入使用的下一代NIKA-2千像素相机的持续发展。我们还报告了最新的实验室测量，以及最近的改进，在检测器的化妆品和读出电子。此外，我们描述了一种新的采集策略，使我们能够提高光度精度，以及相关的自动调谐过程。
2013-12-17 astro-ph.IM
Antenna-coupled TES bolometers used in BICEP2, Keck array, and SPIDER
我们已经开发了天线耦合的过渡边缘传感器（TES）测辐射热计的广泛的宇宙微波背景（CMB）偏振测量实验，包括BICEP 2，凯克阵列，和气球载SPIDER。这些探测器已经达到成熟，本文报告了它们的设计原理，整体性能，以及与设计和生产相关的关键挑战。我们的探测器阵列在95、150或220 GHz重复产生带宽为20%-30%的光谱带。集成天线阵列合成具有受控旁瓣电平的对称共对准波束。在bobbin上的交叉极化响应通常为~ 0.5%，与我们的多路复用读出系统中的串扰一致。我们相机的端到端光学效率通常为35%或更高，每个探测器的灵敏度为NET~300 uKrts。由于这种设计的可扩展性，我们已经部署了2560个探测器，作为凯克阵列中的1280个匹配对，其综合瞬时灵敏度为~9 uKrts，如在2013年季节直接从CMB地图测量的。类似的阵列最近在天基信息平台仪器中飞行，这项技术的开发正在进行中。
2015-02-02 astro-ph.IM
Second Generation Readout For Large Format Photon Counting Microwave Kinetic Inductance Detectors
我们提出了第二代数字读出系统的光子计数微波动力学电感探测器（MKID）阵列工作在光学和近红外波段的发展。我们的系统保留了第一代系统的大部分核心信号处理架构，但具有更高的带宽，能够读出千像素MKID阵列。每组读出板能够读出1024个MKID像素复用超过2 GHz的带宽;两个这样的单元可以并行放置，读出一个完整的2048像素微波馈线超过4 - 8 GHz的频带。在第一代读出，我们的系统是能够识别，分析和记录光子探测事件的实时时间分辨率的顺序为几微秒。在这里，我们描述了硬件和固件，并提出了系统的噪声特性的分析。我们还提出了一种新的算法，有效地抑制IQ混频器边带低于-30 dBc。
2020-11-12 astro-ph.IM physics.ins-det
Linearized SQUID Array (LISA) for High Bandwidth Frequency-Domain Readout Multiplexing
我们设计并演示了一个低温反馈线性化的超导量子干涉器件（SQUID）阵列。为了实现必要的环路增益，由三个单片100元件串联阵列构成300元件串联阵列SQUID。反馈电阻完成了从SQUID输出到输入线圈的环路。与包括室温放大器的SQUID磁通锁定回路相比，该线性化SQUID阵列（LISA）的短反馈路径允许显著更大的磁通锁定回路带宽。LISA的带宽、线性度、噪声性能和动态范围足以用于我们的目标应用：过渡边缘传感器测辐射热计的多路复用读出。
2009-01-14 astro-ph.IM physics.ins-det
Design of 280 GHz feedhorn-coupled TES arrays for the balloon-borne polarimeter SPIDER
我们描述了280 GHz的测辐射热探测器阵列，仪器的球载偏振计SPIDER。SPIDER的一个主要科学目标是测量宇宙微波背景的大尺度B模式偏振，以寻找宇宙暴胀的引力波特征。280 GHz通道通过限制来自星系尘埃排放的B模式污染水平来帮助实现这一科学目标。我们提出的焦平面单元的设计，它包括一个16 $\times$ 16阵列的圆锥形，波纹喇叭耦合到一个单片探测器阵列上制作的150毫米直径的硅片。探测器阵列能够通过波导探头耦合到过渡边缘传感器（TES）测辐射热计的多路复用阵列进行偏振感测。天基信息平台接收器有三个280千兆赫的焦平面单元，总共包含765个空间像素和1，530个偏振敏感测辐射热计。通过制作和测量单喇叭天线，在中心频率为280 GHz的30%带宽内，获得了14.7个椭圆率为$<$ 1%的$^{\circ}$ FHWM高斯光束。我们提出了电磁仿真的检测电路，其中示出94%的带均，单偏振耦合效率，3%的反射和3%的辐射损耗。最后，我们展示了一个低热导测辐射热计，这是很好地描述了一个简单的TES模型，并表现出电噪声等效功率（NEP）= 2.6 $\times$ 10 $^{-17}$ W/ $\sqrt{\mathrm{Hz}}$，与声子噪声预测一致。
2016-07-07 astro-ph.IM
High-bandwidth frequency domain multiplexed readout of transition-edge sensors for neutrinoless double beta decay searches
McGill University（麦吉尔大学）；Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）；University of California Berkeley（加州大学伯克利分校）；Virginia Polytechnic Institute and State University（弗吉尼亚理工大学）；Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室）
下一代低温中微子less双β衰变实验需要更快速的读取以提高背景区分度。本研究开发了基于McGill/Berkeley数字fMux读取的新型系统，实现156kHz的高带宽读取，以满足下一代TES仪器化低温 calorimeters的需求。
2026-06-08 astro-ph.IM nucl-ex physics.ins-det
The EBEX Balloon Borne Experiment - Detectors and Readout
EBEX是一个长时间的气球实验，用于测量宇宙微波背景的偏振。该实验有三个频段，分别位于150、250和410 GHz，并且是第一个在气球平台上使用千像素的过渡边缘传感器（TES）测辐射热计阵列的实验;在达到浮动后不久，我们分别在每个频段操作了504、342和109个TES。我们描述了阵列和读出系统的设计和表征。我们给出了测量的热导率，正常电阻和转变温度的分布。除了在150 GHz的热导率。我们测量了中值低环路增益时间常数$τ_{0}=$ 88、46和57 ms，并将其与预测值进行比较。测辐射热计吸收效率的两次测量分别显示在150 GHz处的高效率（$\sim$ 0.9）和在两个较高频带处的中等效率（$\sim$ 0.35和$\sim$ 0.25）。我们测量的总光负载的中位数为3.6，5.3和5.0 pW吸收在三个波段，分别。EBEX率先使用频域多路复用（FDM）系统的数字版本，该系统将16个测辐射热计的偏置和读数多路复用到两条导线上。我们目前会计的测量噪声等效功率。对于温度为2.725 K的黑体，每探测器噪声等效温度的中值对于三个波段分别为400、920和14500 $μ$ K $\sqrt{s}$。我们将这些值与我们的飞行前预测和以前的气球有效载荷进行比较，讨论过量噪声的来源，以及未来有效载荷充分利用气球环境的路径。
2018-07-30 astro-ph.IM
Frequency Shift Algorithm: Design of a Baseband Phase Locked Loop for Frequency-Domain Multiplexing Readout of X-ray Transition-Edge Sensor Microcalorimeters
过渡边缘传感器（TES）是一种用于测量单个X射线光子能量的极其灵敏的设备。对于天文光谱测量应用，SRON开发了一个频域复用（FDM）读出系统，用于千像素阵列的这种TES。每个TES在1至5 MHz范围内的特定频率下被电压偏置。各个像素之间的隔离是通过非常窄带（高Q）光刻LC谐振器获得的。为了防止由于互调线路噪声导致的能量分辨率降低，偏置频率分布在规则网格上。对LC谐振频率的精度要求很高。由于生产公差引起的谐振频率的偏差相对于带宽是显著的，并且控制器是必要的以补偿LC串联阻抗。我们提出了两个这样的控制器：一个简单的正交比例积分（PI）控制器和一个更复杂的阻抗估计。两个控制器都在基带中工作，并试图使TES电流与偏置电压同相，有效地作为锁相环（PLL）工作。它们允许TES像素的非LC谐振操作，同时保持TES热响应和能量分辨率。广泛的实验结果-最近发表在一个配套文件-与所提出的方法，表明这些控制器允许在多路复用操作中保存单个像素的能量分辨率。
2021-07-02 astro-ph.IM cs.SY eess.SY
An Implementation of a Channelizer based on a Goertzel Filter Bank for the Read-Out of Cryogenic Sensors
本文提出基于Goertzel滤波器组的信道化器，用于低温传感器频域复用读出，在FPGA上资源高效实现，支持大规模传感器读取，适用于CMB巡天、中微子探测和量子计算。
2023-03-02 astro-ph.IM eess.SP
