Design, characterization, and testing of modular readout electronics for Kinetic Inductance Detectors for the COSMO Experiment

This thesis focuses on the design, testing, and characterization of readout electronics for a Kinetic Inductance Detector (KID)-based experiment, COSMO (COSmological Monopole Observer), using commercial components for reliability and rapid prototyping. COSMO is an experiment aimed at searching for y-type spectral distortions in the Cosmic Microwave Background (CMB) between 120 and 300 GHz. It will be operated from Concordia Station on the Antarctic plateau. The experiment is based on a cryogenic Martin-Puplett interferometer with KIDs as its superconductive detectors. The COSMO focal plane will feature 18 multimode aluminum KIDs, with an expected baseband between 80 and 120 MHz. The interferometer will produce interferograms proportional to the difference between the sky and an internal reference black body. To compensate for atmospheric fluctuations, the sky signal is modulated at a high rate. This modulation imposes a critical requirement on the readout electronics: it must be capable of ultra-fast rates to track the signal modulation and perform detector diagnostics. This readout architecture is based on an IQ transceiver generating a comb of test tones, each tuned to a detector frequency. This prototype of readout electronics can achieve and maintain a readout rate higher than 60 kHz for 18 detectors. After an overview of modern cosmology and state-of-the-art experiments with a focus on spectral distortions, the COSMO experiment will be introduced, highlighting the scanning strategy, detector selection, and the readout electronics developed and tested in this thesis. This is followed by an introduction to KIDs and their properties. The subsequent chapters detail the COSMO electronics readout firmware and software, alongside the strategy for detecting KID amplitude and phase variations using Digital Down Conversion (DDC). A full description and characterization of the COSMO readout electronics components will precede the presentation of test results in both warm and cryogenic environments. Since COSMO KIDs weren't ready at the time of this thesis, thanks to the large band of the readout electronics, the majority of the tests was conducted in a 4 K cryostat at the University of Milano-Bicocca on an array of Niobium KIDs working at approximately 2 GHz, with further tests at the University of Rome Sapienza on Aluminum KIDs in a dilution cryostat, at 300 MHz. Additionally, a graphical user interface was developed to provide a user-friendly interface.

Questa tesi si concentra sul design, i test e la caratterizzazione dell’elettronica di lettura per un esperimento basato su rivelatori a induttanza cinetica (KIDs), chiamato COSMO (COSmological Monopole Observer), utilizzando componenti commerciali. COSMO è un esperimento per la ricerca di distorsioni spettrali di tipo y della radiazione cosmica di fondo (CMB), lavorando a frequenze tra 120 e 300 GHz. Sarà posizionato presso la Stazione Concordia sull'altopiano antartico. L'esperimento si basa su un interferometro criogenico di tipo Martin-Puplett, con i KIDs come rivelatori superconduttivi. Il piano focale di COSMO sarà dotato di 18 KIDs multimodo in alluminio, con una frequenza in banda base attesa tra 80 e 120 MHz. L'interferometro produrrà interferogrammi proporzionali alla differenza tra l'intensità del monopolo e di un corpo nero di riferimento. Per compensare le fluttuazioni atmosferiche, il segnale del cielo viene modulato ad una frequenza elevata. Questa modulazione impone un requisito fondamentale all'elettronica di lettura: deve essere in grado di operare a velocità molto elevate per seguire la modulazione del segnale e svolgere diagnostiche dei rivelatori. L'architettura descritta in questa tesi si basa su un transceiver IQ che genera un pettine (comb) di toni di test, ognuno sintonizzato su una frequenza specifica di ciascun rivelatore. Questo prototipo di elettronica di lettura può raggiungere e mantenere un rate di lettura superiore a 60 kHz per i 18 rivelatori. Dopo una panoramica sulla cosmologia moderna e sullo stato dell'arte degli esperimenti, con un focus sulle distorsioni spettrali, verrà introdotto l'esperimento COSMO, evidenziando la strategia di scansione, la selezione dei rivelatori e l'elettronica di lettura sviluppata e testata in questa tesi. Segue un'introduzione ai KIDs e alle loro proprietà. I capitoli successivi descrivono in dettaglio il firmware e il software dell’elettronica di lettura COSMO, insieme alla strategia per rilevare le variazioni di ampiezza e fase dei KIDs utilizzando la Digital Down Conversion (DDC). Una descrizione completa e una caratterizzazione dei componenti dell'elettronica di lettura di COSMO precederanno la presentazione dei risultati dei test sia a temperatura ambiente, sia criogenici. Poiché i KIDs di COSMO non erano pronti al momento di questa tesi, grazie all'ampia banda dell'elettronica di lettura, la maggior parte dei test è stata condotta in un criostato a 4 K presso l'Università di Milano-Bicocca su un array di KIDs al Niobio con frequenze intorno a 2 GHz, e ulteriori test sono stati condotti presso l'Università di Roma Sapienza su KIDs in Alluminio in un criostato a diluizione, con frequenze intorno a 300 MHz. Inoltre, è stata sviluppata un'interfaccia grafica per garantire un'interfaccia utente intuitiva.