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

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorSaira, Olli-Pentti
dc.contributor.authorRäisänen, Ilmo
dc.contributor.schoolPerustieteiden korkeakoulufi
dc.contributor.supervisorPekola, Jukka
dc.date.accessioned2015-05-13T09:49:21Z
dc.date.available2015-05-13T09:49:21Z
dc.date.issued2015-05-12
dc.description.abstractIt 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.abstractMonissa 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.extent6+62+3
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/16036
dc.identifier.urnURN:NBN:fi:aalto-201505142689
dc.language.isoenen
dc.programmeTeknillisen fysiikan ja matematiikan koulutusohjelmafi
dc.programme.majorTeknillinen fysiikkafi
dc.programme.mcodeSCI3028fi
dc.rights.accesslevelopenAccess
dc.subject.keywordparametric amplifieren
dc.subject.keywordJosephson junctionen
dc.subject.keywordreflection coefficienten
dc.subject.keywordgainen
dc.subject.keywordbandwidthen
dc.subject.keywordnoise temperatureen
dc.titleDevelopment of a lumped element Josephson parametric amplifier for frequencies below 1 GHzen
dc.titleJosephsonin parametrivahvistimen kehittäminen keskitetyillä elementeillä alle 1 GHz:n taajuuksia vartenfi
dc.typeG2 Pro gradu, diplomityöen
dc.type.okmG2 Pro gradu, diplomityö
dc.type.ontasotMaster's thesisen
dc.type.ontasotDiplomityöfi
dc.type.publicationmasterThesis
local.aalto.idinssi51341
local.aalto.openaccessyes
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
master_Räisänen_Ilmo_2015.pdf
Size:
3.74 MB
Format:
Adobe Portable Document Format