High-sensitivity correlation spectrometer for shot noise measurements
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2015-06-10
Department
Major/Subject
Radiotiede ja -tekniikka
Mcode
S3012
Degree programme
EST - Elektroniikka ja sähkötekniikka
Language
en
Pages
51 + 8
Series
Abstract
Shot noise measurement is an important characterization method in nanophysics research, although shot noise correlation measurement setups have gained little attention in the literature. Most of the previous setups either utilize low frequencies around 1 MHz or rely on solely analog circuitry. This thesis presents a novel correlation spectrometer for low-temperature shot noise measurements. The setup utilizes a four-channel PCI-E digitizer card with a sample rate of 125 megasamples per second and 14 bit resolution. The setup captures both quadratures of two RF channels at 800 MHz which is mixed down using an IQ mixer designed and evaluated in this thesis. The digitized data is processed on a graphics processing unit of a desktop computer using a program developed using CUDA C, an extension to the C programming language. The program calculates cross- and autocorrelations of the signals in real time. CUDA C was chosen over Matlab implementation due to its significantly better performance. This enables the calculation of intensity correlation and other additional quantities simultaneously with cross- and autocorrelations. In addition, the modular hardware is upgradeable if more perfoRaekohinamittaus on tärkeä nanofysiikan tutkimusmenetelmä, mutta raekohinan korrelaation mittauskytkentöjä on kuitenkin käsitelty kirjallisuudessa vain vähän. Useimmat aiemmista kytkennöistä käyttävät matalia taajuuksia 1 MHz:n ympäristössä, tai perustuvat yksinomaan analogisiin piireihin. Tässä diplomityössä esitetään uudenlainen korrelaatiospektrometri raekohinamittauksiin matalissa lämpötiloissa. Spektrometrissa hyödynnetään nelikanavaista PCI-E -väyläistä digitointikorttia, jonka näytteistysnopeus on 125 miljoonaa näytettä sekunnissa 14 bitin resoluutiolla. Spektrometri kaappaa kahden RF-kanavan molemmat kvadratuurit 800 MHz:n taajuudella, joka alassekoitetaan tässä työssä suunnitellulla IQ-sekoittimella. Digitoitu data prosessoidaan pöytätietokoneen näytönohjaimella käyttäen C-ohjelmointikielen laajennuksella, CUDA C:llä, toteutettua ohjelmaa, joka laskee signaaleiden risti- ja autokorrelaatiot reaaliajassa. CUDA C valittiin Matlab-toteutuksen sijaan sen paremman suorituskyvyn vuoksi, mikä mahdollistaa intensiteettikorrelaation ja muiden suureiden laskemisen samanaikaisesti risti- ja autokorrelaatioden kanssa. Lisäksi modulaarista laitteistoa on mahdollista päivittää, mikäli suorituskykyä vaaditaan lisää. Spektrometrin herkkyys määritettiin mittaamalla stabiilia kohinalähdettä ja laskemalla 91 mittaustuloksen keskihajonta. Määritetty herkkyys, 810 µK/sqrt(Hz), on lähellä sekä teoreettista maksimiherkkyyttä että parasta kirjallisuudessa raportoitua mittausherkkyyttä, molemmat 710 µK/sqrt(Hz).Description
Supervisor
Hakonen, PerttiThesis advisor
Lähteenmäki, PasiKeywords
shot noise, cross-correlation, spectrometer, GPU, CUDA