Датчик перехода края ( ТЭС ) представляет собой тип криогенной датчика энергии или криогенного детектора частиц , который эксплуатирует сильно зависящей от температуры сопротивления от сверхпроводящего фазового перехода .
История [ править ]
Первые демонстрации измерительного потенциала сверхпроводящего перехода появились в 1940-х годах, через 30 лет после открытия сверхпроводимости Оннесом . Д.Х. Эндрюс продемонстрировал первый болометр с переходной кромкой , танталовый провод с токовым смещением, который он использовал для измерения инфракрасного сигнала. Впоследствии он продемонстрировал калориметр с переходным краем из нитрида ниобия, который использовался для измерения альфа-частиц . [1]Однако детектор TES не пользовался популярностью в течение примерно 50 лет, в первую очередь из-за сложности стабилизации температуры в узкой сверхпроводящей переходной области, особенно когда одновременно использовалось более одного пикселя, а также из-за сложности считывание сигнала из такой низкоомной системы. Джоулева нагревание в ТЭС с токовым смещением может привести к тепловому разгоне, 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 ТЭС по напряжению, установления стабильной отрицательной электротермической обратной связи и подключения их к сверхпроводящим квантовым интерференционным устройствам (СКВИД ) усилители тока. [2] Этот прорыв привел к широкому распространению детекторов TES. [3]
Настройка, работа и считывание [ править ]
TES смещается по напряжению, управляя источником тока I смещения через нагрузочный резистор R L (см. Рисунок). Напряжение выбирается таким образом, чтобы TES находился в так называемой «самосмещенной области», где мощность, рассеиваемая в устройстве, постоянна с приложенным напряжением. Когда фотон поглощается TES, эта дополнительная мощность удаляется отрицательной электротермической обратной связью : сопротивление TES увеличивается, вызывая падение тока TES; джоулева мощность в свою очередь , падает, охлаждение задней устройства к его состоянию равновесия в себя смещенной области. В обычной системе считывания SQUID TES работает последовательно с входной катушкой L, который индуктивно связан с последовательным массивом СКВИДов. Таким образом, изменение тока TES проявляется как изменение входного потока на SQUID, выходной сигнал которого дополнительно усиливается и считывается электроникой, работающей при комнатной температуре.
Функциональность [ править ]
Любой болометрический датчик состоит из трех основных компонентов: поглотителя падающей энергии, термометра для измерения этой энергии и тепловой связи с базовой температурой для рассеивания поглощенной энергии и охлаждения детектора. [4]
Абсорбер [ править ]
Простейшая схема поглощения применима к ТЭС, работающим в ближнем ИК, оптическом и УФ режимах. В этих устройствах обычно используется вольфрамовый TES в качестве собственного поглотителя, 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 с использованием заднего зеркала и переднего антиотражающего покрытия. Такие методы могут уменьшить передачу и отражение от детекторов до пренебрежимо низких значений; Наблюдалась эффективность обнаружения 95%. [4]При более высоких энергиях основным препятствием для поглощения является пропускание, а не отражение, поэтому желателен поглотитель с высокой тормозной способностью фотонов и низкой теплоемкостью; висмут пленка часто используется. [3] Любой поглотитель должен иметь низкую теплоемкость по отношению к ТЭС. Более высокая теплоемкость поглотителя будет способствовать возникновению шума и уменьшению чувствительности детектора (поскольку данная поглощенная энергия не приведет к столь значительному изменению сопротивления TES). Для дальнего ИК-излучения миллиметрового диапазона в схемах поглощения обычно используются антенны или фидеры . [3]
Термометр [ править ]
TES работает как термометр следующим образом: поглощенная падающая энергия увеличивает сопротивление датчика с напряжением в переходной области, а интеграл результирующего падения тока пропорционален энергии, поглощаемой датчиком. [5] Выходной сигнал пропорционален изменению температуры поглотителя, поэтому для максимальной чувствительности ТЭС должен иметь низкую теплоемкость и узкий переход. Важные свойства TES, 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 так, чтобы учесть доступныекриогенная система . Вольфрам был популярным выбором для элементарных TES, 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]
Тепловая проводимость [ править ]
Наконец, необходимо настроить тепловую связь между ТЭС и ванной с охлаждающей жидкостью; низкая теплопроводность необходима для того, чтобы падающая энергия воспринималась TES, а не передавалась непосредственно в ванну. Однако тепловая связь не должна быть слишком слабой, так как необходимо снова охладить TES до температуры ванны после того, как энергия будет поглощена. Два подхода к управлению тепловой связью - электронно-фононная связь и механическая обработка. При криогенных температурах электронная и фононная системы в материале могут стать только слабосвязанными. 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 разреженной структуры «паутины». [7]
Преимущества и недостатки [ править ]
Детекторы TES привлекательны для научного сообщества по множеству причин. Среди их наиболее ярких характеристик - беспрецедентно высокая эффективность обнаружения, настраиваемая для длин волн от миллиметрового режима до гамма-лучей [3] [4], и теоретически незначительный уровень фонового темнового счета (менее 1 события в 1000 с из-за внутренних тепловых флуктуаций устройства [5] ). (На практике, хотя только сигнал реальной энергии будет создавать импульс тока, ненулевой уровень фона может быть зарегистрирован алгоритмом подсчета или наличием фонового света в экспериментальной установке. Даже тепловое излучение черного тела может быть замечено TES, оптимизированным для использовать в видимом режиме.)
Однофотонные детекторы TES, тем не менее, имеют ряд недостатков по сравнению с их аналогами с лавинными фотодиодами (APD). ЛФД производятся в виде небольших модулей, которые «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 должен быть дополнительно проанализирован для идентификации фотонов, и иметь джиттер примерно 100 нс. [4] Кроме того, однофотонный всплеск на детекторе TES длится порядка микросекунд.
Приложения [ править ]
TES массивы становятся все более распространенными в физике и астрономии экспериментах , такие как SCUBA-2 , тем HAWC + прибор на стратосферном обсерватории для инфракрасной астрономии , тем Atacama Cosmology Telescope , то Криогенных Dark Matter Search , то Криогенный Rare Event Search с сверхпроводящими термометрами , Е и B Experiment , телескоп на Южном полюсе , поляриметр Spider , инструмент X-IFU на спутнике Advanced Telescope for High Energy Astrophysics , будущий эксперимент LiteBIRD по поляризации космического микроволнового фона, обсерватория Саймонса, и эксперимент CMB Stage-IV.
См. Также [ править ]
 | Викискладе есть медиафайлы, связанные с датчиком края перехода . |
- Болометр
- Детекторы криогенных частиц
Ссылки [ править ]
- ^ DH Andrews et al. , «Затухающие сверхпроводники I. Для измерения инфракрасного излучения». Rev. Sci. Instrum. , 13 , 281 (1942), DOI : 10.1063 / 1.1770037 .
- ^ KD Irwin, "Применение электротермической обратной связи для обнаружения криогенных частиц с высоким разрешением". Прил. Phys. Lett. , 66 , 1998 (1995), DOI : 10,1063 / 1,113674 .
- ^ a b c d e f К. Д. Ирвин и Г. К. Хилтон, "Датчики переходного края", Cryogenic Particle Detection , ed. С. Enss, Springer (2005), DOI : 10.1007 / 10933596_3 .
- ^ а б в г д А. Лита и др. , "Подсчет ближней инфракрасной одиночные фотоны с эффективностью 95%", Оптика Экспресс 16 , 3032 (2008), DOI : 10,1364 / OE.16.003032 .
- ^ а б в А. Дж. Миллер и др. , «Демонстрация малошумящего счетчика фотонов в ближней инфракрасной области с многофотонной дискриминацией», Прил. Phys. Lett. , 83 , 791–793. (2003), DOI : 10,1063 / 1,1596723 .
- ^ A. Lita et al. , "Настройка температуры перехода тонкой пленки вольфрама в сверхпроводящее состояние для изготовления детекторов с разрешением числа фотонов", IEEE Trans. Прил. Сверхсекунда. , 15 , 3528 (2005), DOI : 10,1109 / TASC.2005.849033 .
- ^ J. Bock et al. , "Новый болометра для инфракрасных и миллиметровых волн" астрофизики, космической науки Обзоры , 74 , 229-235 (1995), DOI : 10.1007 / BF00751274 .
