Development of a lumped element Josephson parametric amplifier for frequencies below 1 GHz

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Saira, Olli-Pentti
dc.contributor.author Räisänen, Ilmo
dc.date.accessioned 2015-05-13T09:49:21Z
dc.date.available 2015-05-13T09:49:21Z
dc.date.issued 2015-05-12
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/16036
dc.description.abstract It is important to measure temperature fast and accurately in many experiments in low-temperature physics and nanophysics. The accuracy of the measurement is compromised by noise. A Josephson parametric amplifier (JPA) can provide us with low-noise amplification in the microwave frequency range (300 MHz - 30 GHz) for, e.g., radio frequency thermometry and radiation detection. This Master's thesis presents a lumped element JPA made in collaboration by Aalto University and VTT and reports its refection coefficient, gain, bandwidth, 1 dB compression point, noise temperature and quality factors. Experimental results are compared with nonlinear circuit simulations done with APLAC, which gives us information about component properties for fabrication of a new device. Reflection coefficient measurement gives us the resonance frequency (642.0 MHz) and the bifurcation frequency (640.2 MHz) of the JPA. Gain measurement reveals the maximal gain (26.2 dB), the optimal operating frequency (641.3 MHz) and the optimal pump power (-96 dBm). The gain-bandwidth product is simulated as a function of coupling capacitance and pump power and it is observed to be lower than what theory suggests. The noise temperature of the JPA is measured to be between 1 K and 4 K in thefrequency range 639.25 MHz ... 640.45 MHz according to both the Y-factor method and the signal-to-noise ratio (SNR) method, but according to the SNR method the noise temperature is roughly 50 % lower than according to the Y-factor method. When the pump generator is off, the noise temperature of the system is between 25 K and 80 K in the frequency range 639.15 MHz ... 640.30 MHz according to the SNR method. en
dc.description.abstract Monissa kylmä- ja nanofysiikan kokeissa on tärkeää mitata tutkittavan näytteen lämpötila nopeasti ja tarkasti. Mittauksen tarkkuutta heikentää kohina. Josephsonin parametrivahvistimella (JPA) voidaan vahvistaa näytteen läpi kulkevaa mikroaaltosignaalia (taajuus 300 MHz - 30 GHz) niin, että kohinaa syntyy vain vähän. JPA:ta voidaan hyödyntää esimerkiksi radiotaajuuksilla toimivissa lämpömittareissa ja säteilynilmaisimissa. Tässä diplomityössä esitellään Aalto-yliopiston ja VTT:n valmistama keskitetyillä elementeillä toteutettu JPA ja raportoidaan sen mitattu heijastuskerroin, vahvistus, kaistanleveys, kohinalämpötila ja 1 desibelin kompressiopiste. Lisäksi työssä tehdään APLAC-ohjelmistolla epälineaarisia piirisimulaatioita, jotka tuottavat samankaltaisia tuloksia kuin mittaukset ja antavat hyödyllistä tietoa uusien vastaavien vahvistimien valmistamista varten. Heijastuskertoimen mittaus kertoo JPA:n resonanssitaajuuden (642,0 MHz) ja bifurkaatiotaajuuden (640,2 MHz). Vahvistuksen mittaus kertoo suurimman vahvistuksen (26,2 dB) sekä optimaalisen signaalitaajuuden (641,3 MHz) ja pumpputehon (-96 dBm). Vahvistus-kaistanleveys -tuloa tutkitaan kytkentäkapasitanssin ja pumpputehon funktiona simulaatioiden avulla. Simulaatioiden mukaan tämä tulo on pienempi kuin mitä teoria antaa olettaa. JPA:n kohinalämpötilaksi saadaan sekä Y-kerroinmenetelmällä että signaali-kohinasuhteeseen (SNR) perustuvalla menetelmällä 1 K ... 4 K taajuuskaistalla 639,25 MHz ... 640,45 MHz. SNR-menetelmä antaa kuitenkin noin 50 % matalamman kohinalämpötilan kuin Y-kerroinmenetelmä. Vertailun vuoksi systeemin kohinalämpötila on ilman JPA:ta 25 K ... 80 K taajuuskaistalla 639,15 MHz ... 640,30 MHz SNR-menetelmän mukaan. fi
dc.format.extent 6+62+3
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.title Development of a lumped element Josephson parametric amplifier for frequencies below 1 GHz en
dc.title Josephsonin parametrivahvistimen kehittäminen keskitetyillä elementeillä alle 1 GHz:n taajuuksia varten fi
dc.type G2 Pro gradu, diplomityö en
dc.contributor.school Perustieteiden korkeakoulu fi
dc.subject.keyword parametric amplifier en
dc.subject.keyword Josephson junction en
dc.subject.keyword reflection coefficient en
dc.subject.keyword gain en
dc.subject.keyword bandwidth en
dc.subject.keyword noise temperature en
dc.identifier.urn URN:NBN:fi:aalto-201505142689
dc.programme.major Teknillinen fysiikka fi
dc.programme.mcode SCI3028 fi
dc.type.ontasot Master's thesis en
dc.type.ontasot Diplomityö fi
dc.contributor.supervisor Pekola, Jukka
dc.programme Teknillisen fysiikan ja matematiikan koulutusohjelma fi


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse