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# 物理学# 超伝導# 計測と検出器

超伝導配線技術の進展

新しい柔軟な同軸ケーブルが超伝導システムの性能を向上させるよ。

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フレキシブル同軸ケーブルのフレキシブル同軸ケーブルのブレイクスルーマンスを向上させる。新しい配線技術が超伝導システムのパフォー
目次

超伝導技術は、量子コンピューティングや高感度センサーといった分野の進歩に欠かせなくなってる。この技術には、非常に低温で電気信号を最小限の損失と雑音で運べる特別な配線が必要なんだ。柔軟で高密度な配線を作るのが一つの課題だね。

改良された配線の必要性

多くの超伝導システムでは、正しく動作するために数千のチャンネルが必要なんだ。使うワイヤーは効率的で、超伝導状態を乱すことのないように熱をあまり加えないことが求められる。従来の材料、例えばニオブ-チタン (NbTi) は、寒い条件でうまく機能するから選ばれることが多いけど、扱いづらくて接続も大変なんだよね。

現在の解決策とその制限

既存の配線ソリューションはあるけど、欠点も多い。硬いデザインが多くて、狭い場所にフィットしにくいケースもあるし、いい絶縁を提供してもロスが高くて性能が落ちることも。さらに、テフロンみたいな材料は熱伝導率が低いんだけど、高い融点や他の製造上の課題があって使いにくいんだ。

最近いくつかの会社がNbTiと他の材料を組み合わせたワイヤーを開発してるけど、特定の周波数でのロスが高いって問題があって、特に無線周波数信号を扱うアプリケーションでは厳しい状況なんだ。これが、超伝導システム向けのより良い配線ソリューションを求める市場の隙間を生んでる。

新しい柔軟な同軸ケーブルの開発

この課題を解決するために、既存の材料の利点を組み合わせつつ制限を克服した新しいタイプの同軸ケーブルが開発された。このケーブルは、伝送を強化して低熱負荷を維持することで高性能を提供することを目指してる。

この新しいケーブルは、NbTiワイヤーが特別な絶縁材料に囲まれた柔軟な同軸リボンケーブルを含むデザインになってる。信号の整合性を最大化しつつ、さまざまなアプリケーションで使いやすさを確保するのが目標だよ。

主要なデザイン改善

ケーブルの性能を向上させるために、いくつかの重要なデザイン改善が行われた。中心導体の直径を大きくして特徴インピーダンスを下げることができたんだ。この変更により、熱負荷を大幅に増やすことなく、信号伝送が良くなった。

トランジションボードのデザインも変更されて、キャパシティブな機能が追加された。これにより、ケーブルの端で発生する望ましくない反射を減らすことができ、信号の質を保つことができた。この調整により、ケーブルの性能がテストで大幅に向上し、以前のバージョンや商業製品に比べて信号損失がかなり少なくなった。

製造の改善

新しいケーブルの製造プロセスが改善されて、信頼性とスピードが向上してる。手動の方法ではなく、レーザー溶接技術が導入されてるんだ。この新しいシステムは、伝統的な手作業の方法に比べて、均一なケーブルをより少ないエラーで生産することを目指してる。

ロール・トゥ・ロールの製造アプローチも探求されていて、これにより、より長いケーブルを効率的に生産できるようになって、デザインやアプリケーションにより大きな柔軟性を提供することができる。

性能テスト

広範なテストの結果、新しいケーブルが性能の大幅な改善を提供できることがわかった。ケーブルがマイクロ波テストにさらされたとき、従来のケーブルに比べて信号損失がかなり少ないことが示された。この進展は、信号伝送に高い忠実度が求められるアプリケーションにとって重要なんだ。

近接したワイヤー間の干渉を引き起こすクロストークも、このデザインではうまく制御されてる。テストの結果、クロストークレベルは許容限界を下回っていて、複数のワイヤーを近くに使ってもクリーンな信号伝送が保証されてる。

熱性能

熱負荷は超伝導環境で重要な要素だ。この新しいケーブルは、熱生成を最小限に抑えるように設計されてる。計算によると、他の商業製品と比べて熱伝導率の点で優れていることが示されていて、低温をより効果的に維持できるから、全体的なシステム性能が向上することに寄与してる。

超伝導システムでの応用

この改良された配線技術は、特に超伝導検出器のアレイを使用するシステムなど、さまざまな高度な機器に実装されてる。このケースでは、新しいケーブルが使える検出器の全体数を改善して、システムの能力を大幅に向上させてる。

検出器のエネルギー分解能などの性能メトリックの向上は、新しいケーブルの実用的な利点を示してる。現場のユーザーは、システムからより良い結果を期待できるから、この技術は超伝導システムにとって貴重な追加となるよ。

将来の展望

今後は、ケーブル技術のさらなる開発や改善の計画がある。製造プロセスの洗練や、さらなるノイズやクロストークを減らすための追加シールドの導入の可能性も含まれてる。これらの進展は、高密度接続と超伝導アプリケーションでの全体的な性能の向上への道を開くことになる。

技術が成熟するにつれて、高性能な特性を必要とする他のシステムでも広く使われることが予想されている。

結論

まとめると、この新しい柔軟な同軸ケーブルの開発は、超伝導システムの配線技術において大きな前進を示している。信号伝送の改善、熱負荷の削減、クロストークの効果的な制御などで、先端技術の高まる需要に応えられる有望なソリューションを提供してる。

既存の選択肢の制限に対処することで、この革新的なケーブルデザインは、効率的で能力のある超伝導システムの実現に向けたステージを整えて、量子コンピューティングや高感度検出器の幅広いアプリケーションに対応していくよ。今後の改善が続くにつれて、この技術が超伝導エレクトロニクスの未来において重要な役割を果たすことが期待されてる。

オリジナルソース

タイトル: Improved Flexible Coaxial Ribbon Cable for High-Density Superconducting Arrays

概要: Superconducting arrays often require specialized, high-density cryogenic cabling capable of transporting electrical signals across temperature stages with minimal loss, crosstalk, and thermal conductivity. We report improvements to the design and fabrication of previously published superconducting 53 wt% Nb-47 wt% Ti (Nb47Ti) FLexible coAXial ribbon cables (FLAX). We used 3D electromagnetic simulations to inform design changes to improve the characteristic impedance of the cable and the connector transition. We increased the center conductor diameter from 0.003 inches to 0.005 inches which lowered the cable characteristic impedance from $\sim$60 $\Omega$ to $\sim$53 $\Omega$. This change had a negligible impact on the computed heat load which we estimate to be 5 nW per trace from 1 K to 100 mK with a 1-ft cable. This is approximately half the heat load calculated for the smallest commercially available superconducting coax. We also modified the transition board to include a capacitive coupling between the upper ground plane and signal traces that mitigates the inductive transition. We tested these changes in a 5-trace, 1-ft long cable at 4 K and found the microwave transmission improved from 6 dB to 1.5 dB of attenuation at 8 GHz. This loss is comparable to commercial superconducting coax and 3$\times$ lower than commercial NbTi-on-polyimide flex cables at 8 GHz. The nearest-neighbor forward crosstalk remained less than -40 dB at 8 GHz. We compare key performance metrics with commercially available superconducting coax and NbTi-on-polyimide flex cables and we share initial progress on commercialization of this technology by Maybell Quantum Industries.

著者: Jennifer Pearl Smith, Benjamin A. Mazin, Alirio Boaventura, Kyle J. Thompson, Miguel Daal

最終更新: 2023-06-29 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://arxiv.org/abs/2306.13574

ソースPDF: https://arxiv.org/pdf/2306.13574

ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。

オープンアクセスの相互運用性を利用させていただいた arxiv に感謝します。

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