Датчик края перехода

Датчик края перехода ( TES ) — это тип датчика криогенной энергии или детектора криогенных частиц , который использует сильно зависящее от температуры сопротивление сверхпроводящего фазового перехода .

История

Первые демонстрации потенциала измерения сверхпроводящего перехода появились в 1940-х годах, через 30 лет после Оннесом открытия сверхпроводимости . Д.Х. Эндрюс продемонстрировал первый болометр проволоку с током с переходным краем — танталовую , которую он использовал для измерения инфракрасного сигнала. с переходным краем Впоследствии он продемонстрировал калориметр из нитрида ниобия , который использовался для измерения альфа-частиц . ^{[ 1 ]} Однако ТЭС-детектор не получил популярности в течение примерно 50 лет, в первую очередь из-за сложности стабилизации температуры в узкой области сверхпроводящего перехода, особенно когда одновременно работало более одного пикселя, а также из-за сложности считывание сигнала из такой низкоомной системы . Джоулев нагрев в ТЭС с током может привести к тепловому разгону, который переводит детектор в нормальное (несверхпроводящее) состояние — явление, известное как положительная электротермическая обратная связь . Проблема теплового разгона была решена в 1995 году К.Д. Ирвином путем смещения напряжения на TES, установления стабильной отрицательной электротермической обратной связи и подключения их к усилителям тока сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств ( СКВИД ). ^{[ 2 ]} Этот прорыв привел к широкому распространению детекторов TES. ^{[ 3 ]}

Настройка, работа и считывание

TES смещается по напряжению за счет подачи источника тока I _{смещения} через нагрузочный резистор RL _{(см. рисунок )} . Напряжение выбирается так, чтобы TES находился в так называемой «области самосмещения», где мощность, рассеиваемая в устройстве, постоянна в зависимости от приложенного напряжения. Когда фотон поглощается ТЭС, эта дополнительная мощность снимается за счет отрицательной электротермической обратной связи ТЭС : сопротивление увеличивается, вызывая падение тока ТЭС; Джоулевая мощность , в свою очередь, падает, охлаждая устройство обратно до состояния равновесия в области самосмещения. В обычной системе считывания СКВИДа TES работает последовательно с входной катушкой L , которая индуктивно связана с последовательной матрицей СКВИДа. Таким образом, изменение тока TES проявляется как изменение входного потока СКВИДа, выходной сигнал которого дополнительно усиливается и считывается электроникой, работающей при комнатной температуре.

Функциональность

В любом болометрическом датчике используются три основных компонента: поглотитель падающей энергии, термометр для измерения этой энергии и тепловая связь с базовой температурой для рассеивания поглощенной энергии и охлаждения детектора. ^{[ 4 ]}

поглотитель

Простейшую схему поглощения можно применить к ТЭС, работающим в ближнем ИК, оптическом и УФ-режимах. В этих устройствах в качестве собственного поглотителя обычно используется вольфрамовый ТЭС, который поглощает до 20% падающего излучения. ^{[ 5 ]} Если требуется высокоэффективное обнаружение, TES может быть изготовлен в многослойном оптическом резонаторе, настроенном на желаемую рабочую длину волны и использующем заднее зеркало и переднее просветляющее покрытие. Такие методы могут уменьшить пропускание и отражение от детекторов до пренебрежимо малых значений; Наблюдается эффективность обнаружения 95%. ^{[ 4 ]} При более высоких энергиях основным препятствием для поглощения является передача, а не отражение, поэтому желателен поглотитель с высокой тормозной способностью фотонов и низкой теплоемкостью; пленка . висмутовая часто используется ^{[ 3 ]} Любой поглотитель должен иметь низкую теплоемкость по отношению к ТЭС. Более высокая теплоемкость поглотителя будет способствовать увеличению шума и снижению чувствительности детектора (поскольку данная поглощенная энергия не приведет к такому большому изменению сопротивления ТЭС). Для дальнего ИК-излучения в миллиметровом диапазоне в схемах поглощения обычно используются антенны или рупоры . ^{[ 3 ]}

Термометр

TES работает как термометр следующим образом: поглощенная падающая энергия увеличивает сопротивление датчика, смещенного по напряжению, в его переходной области, а интеграл результирующего падения тока пропорционален энергии, поглощенной детектором. ^{[ 5 ]} Выходной сигнал пропорционален изменению температуры поглотителя, поэтому для максимальной чувствительности ТЭС должен иметь низкую теплоемкость и узкий переход. Важные свойства ТЭС, включая не только теплоемкость, но и теплопроводность, сильно зависят от температуры, поэтому выбор температуры перехода T _c имеет решающее значение для конструкции устройства. Кроме того, T _c следует выбирать с учетом имеющейся криогенной системы . Вольфрам был популярным выбором для элементарных ТЭС, поскольку тонкопленочный вольфрам отображает две фазы: одну с T _c ~ 15 мК, а другую с T _c ~ 1–4 К, которые можно комбинировать для точной настройки всего устройства T _c . ^{[ 6 ]} Двухслойные и многослойные ТЭС — еще один популярный подход к изготовлению, при котором тонкие пленки из разных материалов комбинируются для достижения желаемой T _c . ^{[ 3 ]}

Теплопроводность

Наконец, необходимо настроить тепловую связь между ТЭС и ванной охлаждающей жидкости; низкая теплопроводность необходима для того, чтобы падающая энергия воспринималась TES, а не терялась непосредственно в ванну. Однако тепловая связь не должна быть слишком слабой, так как после поглощения энергии необходимо снова охладить TES до температуры ванны. Два подхода к управлению тепловой связью — это электрон-фононная связь и механическая обработка. При криогенных температурах электронная и фононная системы в материале могут стать лишь слабо связанными. Электрон-фононная теплопроводность сильно зависит от температуры, и, следовательно, теплопроводность можно регулировать, регулируя T _c . ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]} В других устройствах используются механические средства управления теплопроводностью, такие как создание TES на субмикрометровой мембране над отверстием в подложке или в середине редкой структуры «паутины». ^{[ 7 ]}

Преимущества и недостатки

Детекторы TES привлекательны для научного сообщества по ряду причин. Среди их наиболее ярких характеристик — беспрецедентно высокая эффективность обнаружения, настраиваемая для длин волн от миллиметрового диапазона до гамма-лучей. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]} и теоретический незначительный фоновый уровень темнового счета (менее 1 события в 1000 с от собственных тепловых флуктуаций устройства). ^{[ 5 ]}). (На практике, хотя только сигнал реальной энергии будет создавать импульс тока, ненулевой уровень фона может быть зарегистрирован алгоритмом счета или наличием фонового света в экспериментальной установке. Даже тепловое излучение черного тела может быть обнаружено с помощью TES, оптимизированного для использовать в видимом режиме.)

Тем не менее, однофотонные детекторы TES имеют ряд недостатков по сравнению со своими аналогами на лавинных фотодиодах (APD). ЛФД изготавливаются в виде небольших модулей, которые прямо из коробки подсчитывают фотоны с мертвым временем в несколько наносекунд и выдают импульс, соответствующий каждому фотону, с джиттером в десятки пикосекунд. Напротив, детекторы TES должны работать в криогенной среде, выдавать сигнал, который необходимо дополнительно анализировать для идентификации фотонов, и иметь джиттер примерно 100 нс. ^{[ 4 ]} Более того, однофотонный всплеск на детекторе TES длится порядка микросекунд.

Приложения

Массивы TES становятся все более распространенными в физических и астрономических экспериментах, таких как SCUBA-2 , инструмент HAWC+ в Стратосферной обсерватории инфракрасной астрономии , Атакамский космологический телескоп , криогенный поиск темной материи , криогенный поиск редких событий с помощью сверхпроводящих термометров , E и «Эксперимент Б» , Южнополярный телескоп , поляриметр «Паук» , прибор X-IFU Advanced Телескоп для спутника астрофизики высоких энергий, будущий LiteBIRD эксперимент по поляризации космического микроволнового фона , обсерватория Саймонса и эксперимент CMB Stage-IV.

См. также

Ссылки

^ Д.Х. Эндрюс и др. , "Ослабленные сверхпроводники I. Для измерения инфракрасного излучения". Преподобный учёный. Инструмент. , 13 , 281 (1942), дои : 10.1063/1.1770037 .
^ К.Д. Ирвин, «Применение электротермической обратной связи для обнаружения криогенных частиц с высоким разрешением». Прил. Физ. Летт. , 66 , 1998 (1995), дои : 10.1063/1.113674 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж К.Д. Ирвин и Г.К. Хилтон, «Датчики переходного края», Обнаружение криогенных частиц , изд. К. Энсс, Спрингер (2005), дои : 10.1007/10933596_3 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и А. Лита и др. , «Подсчет одиночных фотонов ближнего инфракрасного диапазона с эффективностью 95%», Optics Express 16 , 3032 (2008), два : 10.1364/OE.16.003032 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с А. Дж. Миллер и др. , "Демонстрация малошумящего счетчика фотонов ближнего инфракрасного диапазона с многофотонной дискриминацией", Прикл. Физ. Летт. , 83 , 791–793. (2003), дои : 10.1063/1.1596723 .
^ А. Лита и др. , «Настройка температуры перехода тонкой пленки вольфрама в сверхпроводимость для изготовления детекторов с разрешением числа фотонов», IEEE Trans. Прил. Суперконд. , 15 , 3528 (2005), дои : 10.1109/TASC.2005.849033 .
^ Дж. Бок и др. , «Новый болометр для астрофизики инфракрасного и миллиметрового диапазона волн», Space Science Reviews , 74 , 229–235 (1995), дои : 10.1007/BF00751274 .

[1] Д.Х. Эндрюс и др. , "Ослабленные сверхпроводники I. Для измерения инфракрасного излучения". Преподобный учёный. Инструмент. , 13 , 281 (1942), дои : 10.1063/1.1770037 .

[2] К.Д. Ирвин, «Применение электротермической обратной связи для обнаружения криогенных частиц с высоким разрешением». Прил. Физ. Летт. , 66 , 1998 (1995), дои : 10.1063/1.113674 .

[IrwinHilton-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж К.Д. Ирвин и Г.К. Хилтон, «Датчики переходного края», Обнаружение криогенных частиц , изд. К. Энсс, Спрингер (2005), дои : 10.1007/10933596_3 .

[NIST-4] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и А. Лита и др. , «Подсчет одиночных фотонов ближнего инфракрасного диапазона с эффективностью 95%», Optics Express 16 , 3032 (2008), два : 10.1364/OE.16.003032 .

[NIST2-5] Jump up to: ^а ^б ^с А. Дж. Миллер и др. , "Демонстрация малошумящего счетчика фотонов ближнего инфракрасного диапазона с многофотонной дискриминацией", Прикл. Физ. Летт. , 83 , 791–793. (2003), дои : 10.1063/1.1596723 .

[6] А. Лита и др. , «Настройка температуры перехода тонкой пленки вольфрама в сверхпроводимость для изготовления детекторов с разрешением числа фотонов», IEEE Trans. Прил. Суперконд. , 15 , 3528 (2005), дои : 10.1109/TASC.2005.849033 .

[7] Дж. Бок и др. , «Новый болометр для астрофизики инфракрасного и миллиметрового диапазона волн», Space Science Reviews , 74 , 229–235 (1995), дои : 10.1007/BF00751274 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]