Криогенный детектор частиц

Детекторы криогенных частиц работают при очень низкой температуре, обычно всего на несколько градусов выше абсолютного нуля . Эти датчики взаимодействуют с энергичной элементарной частицей (например, фотоном ) и передают сигнал, который может быть связан с типом частицы и характером взаимодействия. Хотя многие типы детекторов частиц могут работать с улучшенными характеристиками при криогенных температурах, этот термин обычно относится к типам, которые используют преимущества особых эффектов или свойств, проявляющихся только при низкой температуре.

Введение

Наиболее часто упоминаемой причиной работы любого датчика при низкой температуре является снижение теплового шума , который пропорционален квадратному корню из абсолютной температуры . Однако при очень низкой температуре некоторые свойства материала становятся очень чувствительными к энергии, выделяемой частицами при их прохождении через датчик, и выгода от этих изменений может быть даже больше, чем от снижения теплового шума. Двумя такими широко используемыми свойствами являются теплоемкость и удельное электрическое сопротивление , особенно сверхпроводимость ; другие конструкции основаны на сверхпроводящих туннельных переходах , квазичастиц захвате , ротонах в сверхтекучих средах , магнитных болометрах и других принципах.

Первоначально астрономия подтолкнула к разработке криогенных детекторов оптического и инфракрасного излучения. ^[1] Позже физика элементарных частиц и космология мотивировали разработку криогенных детекторов для обнаружения известных и предсказанных частиц, таких как нейтрино , аксионы и слабовзаимодействующие массивные частицы (WIMP). ^[2]^[3]

Типы детекторов криогенных частиц

Калориметрическое обнаружение частиц

Калориметр — это прибор, измеряющий количество тепла , выделенного в образце материала. Калориметр отличается от болометра тем, что калориметр измеряет энергию, а болометр измеряет мощность .

Ниже температуры Дебая кристаллического диэлектрического материала (например, кремния ) теплоемкость уменьшается обратно пропорционально кубу абсолютной температуры. Оно становится очень малым, так что повышение температуры образца при заданном подводе тепла может быть относительно большим. Это делает практичным создание калориметра с очень большим отклонением температуры при небольшом подводе тепла, например, выделяемом пролетающей частицей. стандартного типа Повышение температуры можно измерить с помощью термистора , как в классическом калориметре. Как правило, для создания чувствительного детектора частиц этим методом требуется небольшой размер образца и очень чувствительные термисторы.

несколько типов термометров сопротивления В принципе, можно использовать . Предел чувствительности к энерговыделению определяется величиной флуктуаций сопротивления, которые, в свою очередь, определяются тепловыми флуктуациями . Поскольку все резисторы демонстрируют колебания напряжения, пропорциональные их температуре (эффект, известный как шум Джонсона) , снижение температуры часто является единственным способом достижения необходимой чувствительности.

Сверхпроводящие датчики переходного края

Очень чувствительный калориметрический датчик, известный как датчик переходного края (TES), использует преимущества сверхпроводимости . Большинство чистых сверхпроводников имеют очень резкий переход от нормального удельного сопротивления к сверхпроводимости при некоторой низкой температуре. При сверхпроводящем фазовом переходе очень небольшое изменение температуры в результате взаимодействия с частицей приводит к значительному изменению сопротивления.

Сверхпроводящие туннельные переходы

Сверхпроводящий туннельный переход (STJ) состоит из двух частей сверхпроводящего материала, разделенных очень тонким (~ нанометров ) изолирующим слоем. Он также известен как туннельный переход сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (SIS) и является разновидностью джозефсоновского перехода . Куперовские пары могут туннелировать через изолирующий барьер — явление, известное как эффект Джозефсона . Квазичастицы также могут туннелировать через барьер, хотя ток квазичастиц подавляется при напряжениях, менее чем в два раза превышающих сверхпроводящую энергетическую щель. Фотон, поглощенный на одной стороне СТП, разрывает куперовские пары и создает квазичастицы. При наличии приложенного напряжения на переходе квазичастицы туннелируют через переход, и результирующий туннельный ток пропорционален энергии фотона. STJ также можно использовать в качестве гетеродинного детектора , используя изменение нелинейной вольт-амперной характеристики , возникающее в результате туннелирования с помощью фотонов. STJ — наиболее чувствительные гетеродинные детекторы, доступные для диапазона 100 ГГц – 1 Диапазон частот ТГц и используются для астрономических наблюдений на этих частотах.

Детекторы кинетической индуктивности

Детектор кинетической индуктивности (КИД) основан на измерении изменения кинетической индуктивности, вызванного поглощением фотонов тонкой полоской сверхпроводящего материала. Изменение индуктивности обычно измеряется как изменение резонансной частоты микроволнового резонатора , поэтому эти детекторы также известны как детекторы микроволновой кинетической индуктивности (MKID).

Сверхпроводящие гранулы

Один лишь сверхпроводящий переход можно использовать для прямого измерения нагрева, вызванного пролетающей частицей. Сверхпроводящее зерно I рода в магнитном поле демонстрирует идеальный диамагнетизм и полностью исключает поле из своей внутренней части. Если ее поддерживать немного ниже температуры перехода, сверхпроводимость исчезает при нагреве излучением частиц, и поле внезапно проникает внутрь. Это изменение поля может быть обнаружено окружающей катушкой. Это изменение обратимо, когда зерно снова охлаждается. На практике зерна должны быть очень маленькими, тщательно изготовленными и тщательно прикрепленными к катушке.

Магнитные калориметры

Парамагнитные ионы редкоземельных металлов используются в качестве датчиков частиц путем обнаружения переворотов спинов парамагнитных атомов, вызванных теплом, поглощенным материалом с низкой теплоемкостью. Ионы используются в качестве магнитного термометра.

Другие методы

Обнаружение фононных частиц

Калориметры предполагают, что образец находится в тепловом равновесии или близко к нему. В кристаллических материалах при очень низких температурах это не обязательно так. Гораздо больше информации можно получить, измеряя элементарные возбуждения кристаллической решетки, или фононы , вызываемые взаимодействующей частицей. Это можно сделать несколькими методами, включая сверхпроводящие датчики края перехода .

Сверхпроводящие однофотонные детекторы на нанопроволоке

Сверхпроводящий однофотонный детектор нанопроволоки (SNSPD) основан на сверхпроводящей проволоке, охлажденной значительно ниже температуры сверхпроводящего перехода и смещенной постоянным током , который близок к критическому току сверхпроводимости, но меньше его. SNSPD обычно изготавливается из пленок нитрида ниобия толщиной ≈ 5 нм , которые имеют структуру узких нанопроволок (типичная ширина 100 нм). Поглощение фотона разрывает куперовские пары и снижает критический ток ниже тока смещения. Образуется небольшой несверхпроводящий участок по ширине нанопроволоки. ^[4]^[5] Эта резистивная несверхпроводящая секция затем приводит к обнаружению импульса напряжения длительностью около 1 наносекунды. Основными преимуществами детектора фотонов этого типа являются его высокая скорость (максимальная скорость счета 2 ГГц делает их самыми быстрыми из доступных) и низкая скорость счета в темноте. Основным недостатком является отсутствие собственного энергетического разрешения.

Детекторы Ротон

В сверхтекучем ⁴Элементарными коллективными возбуждениями являются фононы и ротоны . Частица, поражающая электрон или ядро в этой сверхтекучей жидкости, может производить ротоны, которые можно обнаружить болометрически или по испарению атомов гелия, когда они достигают свободной поверхности. ⁴Он по своей природе очень чист, поэтому ротоны перемещаются баллистически и стабильны, так что можно использовать большие объемы жидкости.

Квазичастицы в сверхтекучести ³Он

В фазе B ниже 0,001 К сверхтекучий ³Он действует аналогично сверхпроводнику. Пары атомов связаны как квазичастицы, подобные куперовским парам, с очень маленькой энергетической щелью порядка 100 наноэлектронвольт . Это позволяет построить детектор аналог сверхпроводящего туннельного детектора. Преимущество в том, что многие (~10 ⁹) пары может быть произведено одним взаимодействием, но трудности в том, что это сложно измерить превышение нормы ³Он атомы производил, готовил и поддерживал много сверхтекучий при такой низкой температуре.

Ссылки

Тверенболд, Дамиан (декабрь 1996 г.). «Детекторы криогенных частиц». Реп. прог. Физ . 59 (3): 349–426. Бибкод : 1996РПФ...59..349Т . дои : 10.1088/0034-4885/59/3/002 . S2CID 250872972 .
Энсс, Кристиан, изд. (2005). Обнаружение криогенных частиц . Спрингер, Темы прикладной физики 99. ISBN. 978-3-540-20113-7 .

^{^} Стекло, И.С. (1999). Справочник по инфракрасной астрономии . Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-63311-6 .
^{^} Примак, младший; Д. Секель; Б. Садулет (декабрь 1988 г.). «Обнаружение космической темной материи» . Ежегодный обзор ядерной науки и науки о элементарных частицах . 38 (38): 751–807. Бибкод : 1988ARNPS..38..751P . дои : 10.1146/annurev.ns.38.120188.003535 .
^{^} Прецль, К. (1988). «Поиски темной материи» (PDF) . Обзоры космической науки . 130 (1–4): 63–72. Бибкод : 2007ССРв..130...63П . дои : 10.1007/s11214-007-9151-0 . S2CID 59043993 .
^{^} Семенов А.Д.; ГольЦман, Григорий Н.; Корнеев, Александр Александрович (2001). «Квантовое обнаружение с помощью токопроводящей сверхпроводящей пленки». Физика С. 351 (4): 349–356. Бибкод : 2001PhyC..351..349S . дои : 10.1016/S0921-4534(00)01637-3 .
^{^} Гольцман, Г.Н.; Окунев О.; Чулкова Г.; Липатов А.; Семенов А.; Смирнов К. ; Воронов Б.; Дзарданов А. ; и др. (2001). «Пикосекундный сверхпроводящий однофотонный оптический детектор». Письма по прикладной физике . 79 (6): 705–707. Бибкод : 2001АпФЛ..79..705Г . дои : 10.1063/1.1388868 .

См. также