Криогенные детекторы 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 специальных эффектов или свойств, возникающих только при низкой температуре.
Вступление
Наиболее часто упоминаемой причиной использования 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 уменьшения теплового шума. Двумя такими обычно используемыми свойствами являются теплоемкость и удельное электрическое сопротивление , особенно сверхпроводимость ; другие конструкции основаны на сверхпроводящих туннельных переходах , захвате квазичастиц , ротонах в сверхтекучих жидкостях , магнитных болометрах и других принципах.
Первоначально астрономия подтолкнула к разработке криогенных детекторов оптического и инфракрасного излучения. [1] Позже физика элементарных частиц и космология стимулировали разработку криогенных детекторов для обнаружения известных и предсказанных частиц, таких как нейтрино , аксионы и слабовзаимодействующие массивные частицы (WIMP). [2] [3]
Типы криогенных детекторов частиц
Калориметрическое обнаружение частиц
Калориметр представляет собой устройство , которое измеряет количество тепла на хранение в образце материала. Калориметр отличается от болометра тем, что калориметр измеряет энергию, а болометр измеряет мощность .
Ниже температуры Дебая кристаллического диэлектрического материала (такого как кремний ) теплоемкость уменьшается обратно пропорционально кубу абсолютной температуры. Он становится очень маленьким, так что повышение температуры образца для данного подводимого тепла может быть относительно большим. Это делает практичным создание калориметра с очень большим температурным отклонением для небольшого количества подводимого тепла, например, выделяемого проходящей частицей. Повышение температуры можно измерить с помощью термистора стандартного типа , как в классическом калориметре. Как правило, для создания чувствительного детектора частиц с помощью этого метода требуются небольшой размер образца и очень чувствительные термисторы.
В принципе, можно использовать несколько типов термометров сопротивления . Предел чувствительности к выделению энергии определяется величиной колебаний сопротивления, которые, в свою очередь, определяются тепловыми колебаниями . Поскольку все резисторы демонстрируют колебания напряжения, пропорциональные их температуре, эффект, известный как шум Джонсона , снижение температуры часто является единственным способом достижения требуемой чувствительности.
Сверхпроводящие датчики переходной кромки
Очень чувствительный калориметрический датчик, известный как датчик на границе перехода (TES), использует преимущества сверхпроводимости . Большинство чистых сверхпроводников имеют очень резкий переход от нормального удельного сопротивления к сверхпроводимости при некоторой низкой температуре. При воздействии на сверхпроводящий фазовый переход очень небольшое изменение температуры в результате взаимодействия с частицей приводит к значительному изменению сопротивления.
Сверхпроводящие туннельные переходы
Сверхпроводящий туннельный переход (СТП) состоит из двух частей сверхпроводящего материала , разделенных очень тонким (~ нанометр ) изоляционным слоем. Он также известен как туннельный переход сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (SIS) и является разновидностью перехода Джозефсона . Куперовские пары могут туннелировать через изолирующий барьер - явление, известное как эффект Джозефсона . Квазичастицы также могут туннелировать через барьер, хотя ток квазичастиц подавляется для напряжений, меньших чем вдвое превышающих сверхпроводящую запрещенную зону. Фотон, поглощенный одной стороной STJ, разрушает куперовские пары и создает квазичастицы. При наличии приложенного к переходу напряжения квазичастицы туннелируют через переход, и результирующий туннельный ток пропорционален энергии фотона. STJ можно также использовать в качестве гетеродинного детектора , используя изменение нелинейной вольт-амперной характеристики, которое возникает в результате туннелирования с помощью фотонов. STJ являются наиболее чувствительными гетеродинными детекторами, доступными для диапазона частот 100 ГГц - 1 ТГц, и используются для астрономических наблюдений на этих частотах.
Детекторы кинетической индуктивности
Кинетическая индуктивность детектор (КИД) основан на измерение изменения кинетической индуктивности , вызванное поглощением фотонов в тонкой полоске сверхпроводящего материала. Изменение индуктивности обычно измеряется как изменение резонансной частоты микроволнового резонатора , и, следовательно, эти детекторы также известны как микроволновые кинетические детекторы индуктивности (MKID).
Сверхпроводящие гранулы
Только сверхпроводящий переход можно использовать для непосредственного измерения нагрева, вызванного проходящей частицей. Сверхпроводящее зерно I типа в магнитном поле демонстрирует идеальный диамагнетизм и полностью исключает поле из своей внутренней части. Если его поддерживать немного ниже температуры перехода, сверхпроводимость исчезает при нагревании излучением частиц, и поле внезапно проникает внутрь. Это изменение поля может быть обнаружено окружающей катушкой. Изменение обратимо, когда зерно снова остынет. На практике зерна должны быть очень маленькими, тщательно обработанными и прикрепленными к катушке.
Магнитные калориметры
Парамагнитные ионы редкоземельных элементов используются в качестве датчиков частиц, обнаруживая перевороты спина парамагнитных атомов, вызванные теплом, поглощенным материалом с низкой теплоемкостью. Ионы используются как магнитный термометр.
Другие методы
Обнаружение фононных частиц
Калориметры предполагают, что образец находится в тепловом равновесии или почти в нем. В кристаллических материалах при очень низкой температуре это не всегда так. Намного больше информации можно получить, измерив элементарные возбуждения кристаллической решетки или фононов , вызванные взаимодействующей частицей. Это можно сделать несколькими способами, включая сверхпроводящие датчики края перехода .
Детекторы одиночных фотонов на сверхпроводящих нанопроводах
Сверхпроводящий детектор нанопроволоки однофотонной (SNSPD) основана на сверхпроводящем проводе охлаждается значительно ниже температуры сверхпроводящего перехода и смещена с постоянного тока , который близок к но меньше , чем сверхпроводящего критического тока. SNSPD обычно изготавливается из пленок нитрида ниобия толщиной ≈ 5 нм, которые имеют узор в виде узких нанопроволок (с типичной шириной 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 обнаруживаемому импульсу напряжения длительностью около 1 наносекунды. Основными преимуществами этого типа детектора фотонов являются его высокая скорость (максимальная скорость счета 2 ГГц делает их самыми быстрыми из доступных) и низкая скорость счета в темноте. Главный недостаток - отсутствие собственного энергетического разрешения.
Детекторы ротон
В сверхтекучем 4 He элементарными коллективными возбуждениями являются фононы и ротоны . Частица, ударяющаяся в электрон или ядро в этой сверхтекучей жидкости, может производить ротоны, которые могут быть обнаружены болометрически или по испарению атомов гелия, когда они достигают свободной поверхности. 4 Он по своей природе очень чистый, поэтому ротоны движутся баллистически и стабильны, поэтому можно использовать большие объемы жидкости.
Квазичастицы в сверхтекучем 3 He
В фазе B ниже 0,001 K сверхтекучий 3 He действует аналогично сверхпроводнику. Пары атомов связаны , как квазичастицы , похожими на куперовских пар с очень малым зазором энергии порядка 100 нано электронвольт . Это позволяет построить детектор, аналогичный сверхпроводящему туннельному детектору. Преимущество состоит в том, что в результате одного взаимодействия может быть образовано много (~ 10 9 ) пар, но трудности заключаются в том, что трудно измерить избыток образовавшихся нормальных атомов 3 He, а также приготовить и поддерживать много сверхтекучих атомов при такой низкой температуре.
Рекомендации
- Тверенболд, Дамиан (декабрь 1996 г.). «Детекторы криогенных частиц». Rep. Prog. Phys . 59 (3): 349–426. Bibcode : 1996RPPh ... 59..349T . DOI : 10.1088 / 0034-4885 / 59/3/002 .
- Энсс, Кристиан (редактор) (2005). Обнаружение криогенных частиц . Springer, Темы прикладной физики 99. ISBN 978-3-540-20113-7.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )
- ^Стекло, И.С. (1999). Справочник по инфракрасной астрономии . Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-63311-6. CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^Примак, младший; Д. Секель; Б. Садуле (декабрь 1988 г.). «Обнаружение космической темной материи» . Ежегодный обзор ядерной науки и физики элементарных частиц . 38 : 751–807. Bibcode : 1988ARNPS..38..751P . DOI : 10.1146 / annurev.ns.38.120188.003535 .
- ^Pretzl, K. (1988). «Поиски темной материи» (PDF) . Обзоры космической науки . 130 (1–4): 63–72. Bibcode : 2007SSRv..130 ... 63P . DOI : 10.1007 / s11214-007-9151-0 .
- ^Семенов А.Д .; ГольЦман Григорий Н .; Корнеев, Александр А. (2001). «Квантовое детектирование токоведущей сверхпроводящей пленкой». Physica C . 351 (4): 349–356. Bibcode : 2001PhyC..351..349S . DOI : 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 другие. (2001). «Пикосекундный сверхпроводящий однофотонный оптический детектор». Письма по прикладной физике . 79 (6): 705–707. Bibcode : 2001ApPhL..79..705G . DOI : 10.1063 / 1.1388868 .
Смотрите также
- Болометр
- Детектор
- Доменная стенка (магнетизм)
- Пиннинг флюса
- Теория Гинзбурга – Ландау
- Представление Хусими Q
- Эффект джозефсона
- Эффект Мейснера
- Микроболометр
- Сверхпроводники