Czujnik krawędzi przejścia
Czujnik krawędzi przejścia ( TES ) to rodzaj czujnika energii kriogenicznej lub detektora cząstek kriogenicznych , który wykorzystuje silnie zależną od temperatury rezystancję przejścia fazowego nadprzewodnika .
Historia
Pierwsze demonstracje potencjału pomiarowego przejścia nadprzewodzącego pojawiły się w latach czterdziestych XX wieku, 30 lat po odkryciu nadprzewodnictwa przez Onnesa . DH Andrews zademonstrował pierwszy bolometr z krawędzią przejściową, drut tantalowy spolaryzowany prądem , którego użył do pomiaru sygnału w podczerwieni. Następnie zademonstrował kalorymetr z krawędzią przejściową wykonany z azotku niobu , który był używany do pomiaru cząstek alfa . Detektor TES nie zyskał jednak popularności przez około 50 lat, przede wszystkim ze względu na trudność w stabilizacji temperatury w wąskim obszarze przejściowym nadprzewodników, zwłaszcza gdy pracował więcej niż jeden piksel w tym samym czasie, a także ze względu na trudność odczyt sygnału z takiego układu o niskiej impedancji . Ogrzewanie Joule'a w TES obciążonym prądem może prowadzić do niekontrolowanego wzrostu temperatury, który doprowadza detektor do stanu normalnego (nie nadprzewodzącego), zjawisko znane jako dodatnie sprzężenie zwrotne elektrotermiczne . Problem ucieczki termicznej został rozwiązany w 1995 roku przez KD Irwina przez polaryzację napięcia TES, ustanowienie stabilnego ujemnego elektrotermicznego sprzężenia zwrotnego i połączenie ich ze wzmacniaczami prądu z nadprzewodzącymi kwantowymi urządzeniami interferencyjnymi ( SQUID ). Ten przełom doprowadził do powszechnego przyjęcia detektorów TES.
Konfiguracja, obsługa i odczyt
TES jest spolaryzowany napięciem przez napędzanie polaryzacji źródła prądu I przez rezystor obciążenia RL ( patrz rysunek ) . Napięcie jest dobierane tak, aby umieścić TES w tak zwanym „obszarze polaryzacji własnej”, w którym moc rozpraszana w urządzeniu jest stała z przyłożonym napięciem. Kiedy foton jest pochłaniany przez TES, ta dodatkowa moc jest usuwana przez ujemne sprzężenie zwrotne elektrotermiczne : rezystancja TES wzrasta, powodując spadek prądu TES; moc Joule'a z kolei spada, schładzając urządzenie z powrotem do stanu równowagi w obszarze samonastawnym. We wspólnym SQUID , TES pracuje szeregowo z cewką wejściową L , która jest indukcyjnie połączona z macierzą szeregową SQUID. Zatem zmiana prądu TES objawia się jako zmiana strumienia wejściowego do SQUID, którego wyjście jest dalej wzmacniane i odczytywane przez elektronikę pracującą w temperaturze pokojowej.
Funkcjonalność
Każdy czujnik bolometryczny składa się z trzech podstawowych elementów: pochłaniacza energii padającej, termometru do pomiaru tej energii oraz elementu termicznego do temperatury podstawowej w celu rozproszenia pochłoniętej energii i schłodzenia detektora.
Absorber
Najprostszy schemat absorpcji można zastosować do TES działających w reżimie bliskiej podczerwieni, optycznym i UV. Urządzenia te na ogół wykorzystują wolframowy TES jako własny absorber, który pochłania do 20% padającego promieniowania. Jeśli pożądana jest detekcja o wysokiej wydajności, TES może być wykonany w wielowarstwowej wnęce optycznej dostrojonej do pożądanej długości fali roboczej i z wykorzystaniem tylnego lustra i przedniej powłoki przeciwodblaskowej. Takie techniki mogą zmniejszyć transmisję i odbicie z detektorów do pomijalnie niskich wartości; Zaobserwowano 95% skuteczność wykrywania. Przy wyższych energiach główną przeszkodą dla absorpcji jest transmisja, a nie odbicie, dlatego pożądany jest absorber o dużej sile zatrzymywania fotonów i niskiej pojemności cieplnej; A często stosuje się folię bizmutową . Każdy absorber powinien mieć małą pojemność cieplną w stosunku do TES. Większa pojemność cieplna absorbera przyczyni się do szumu i zmniejszy czułość detektora (ponieważ dana pochłonięta energia nie spowoduje tak dużej zmiany rezystancji TES). W przypadku promieniowania dalekiej podczerwieni do zakresu milimetrów schematy absorpcji zwykle wykorzystują anteny lub tuby zasilające .
Termometr
TES działa jak termometr w następujący sposób: pochłonięta energia padająca zwiększa rezystancję czujnika spolaryzowanego napięciem w jego obszarze przejściowym, a całka wynikającego z tego spadku prądu jest proporcjonalna do energii pochłoniętej przez detektor. Sygnał wyjściowy jest proporcjonalny do zmiany temperatury absorbera, dlatego dla maksymalnej czułości TES powinien mieć małą pojemność cieplną i wąskie przejście. Ważne właściwości TES, w tym nie tylko pojemność cieplna, ale także przewodność cieplna, są silnie zależne od temperatury, więc wybór temperatury przejścia T c ma kluczowe znaczenie dla konstrukcji urządzenia. Ponadto T c należy wybrać, aby dostosować się do dostępnego systemu kriogenicznego . Wolfram był popularnym wyborem dla elementarnych TES , ponieważ cienkowarstwowy wolfram wykazuje dwie fazy, jedną z Tc ~ 15 mK, a drugą z Tc ~ 1–4 K, które można łączyć, aby precyzyjnie dostroić całe urządzenie Tc . Dwuwarstwowe i wielowarstwowe TES to kolejne popularne podejście do wytwarzania, w którym cienkie warstwy z różnych materiałów są łączone w celu uzyskania pożądanej T c .
Przewodność cieplna
Na koniec konieczne jest dostrojenie sprzężenia termicznego między TES a kąpielą płynu chłodzącego; niska przewodność cieplna jest konieczna, aby zapewnić, że energia padająca jest postrzegana przez TES, a nie tracona bezpośrednio do kąpieli. Łącznik termiczny nie może być jednak zbyt słaby, ponieważ po pochłonięciu energii konieczne jest schłodzenie TES z powrotem do temperatury kąpieli. Dwa podejścia do kontrolowania łącza termicznego to sprzężenie elektron-fonon i obróbka mechaniczna. W temperaturach kriogenicznych elektronów i fononów w materiale mogą być sprzężone tylko słabo. Przewodność cieplna elektron-fonon jest silnie zależna od temperatury, a zatem przewodność cieplną można dostroić poprzez regulację T c . Inne urządzenia wykorzystują mechaniczne środki kontrolowania przewodności cieplnej, takie jak budowanie TES na membranie submikronowej nad otworem w podłożu lub w środku rzadkiej struktury „pajęczyny”.
Zalety i wady
Detektory TES są atrakcyjne dla społeczności naukowej z wielu powodów. Wśród ich najbardziej uderzających cech jest bezprecedensowa wysoka skuteczność wykrywania, którą można dostosować do długości fal od reżimu milimetrowego do promieni gamma oraz teoretycznie pomijalny poziom ciemnego tła (mniej niż 1 zdarzenie na 1000 s od wewnętrznych fluktuacji termicznych urządzenia ) . (W praktyce, chociaż tylko sygnał energii rzeczywistej wytworzy impuls prądowy, algorytm zliczający może zarejestrować niezerowy poziom tła lub obecność światła tła w układzie eksperymentalnym. Nawet termiczne promieniowanie ciała doskonale czarnego może być widziany przez TES zoptymalizowany do użycia w widzialnym reżimie.)
Detektory pojedynczych fotonów TES mają jednak kilka wad w porównaniu z ich odpowiednikami z fotodiodami lawinowymi (APD). APD są produkowane w małych modułach, które zliczają fotony od razu po wyjęciu z pudełka z czasem martwym wynoszącym kilka nanosekund i wysyłają impuls odpowiadający każdemu fotonowi z fluktuacją dziesiątek pikosekund. Z kolei detektory TES muszą działać w środowisku kriogenicznym, generować sygnał, który należy dalej analizować w celu identyfikacji fotonów, i mieć jitter około 100 ns. Co więcej, impuls pojedynczego fotonu na detektorze TES trwa rzędu mikrosekund.
Aplikacje
Macierze TES stają się coraz bardziej powszechne w eksperymentach fizycznych i astronomicznych, takich jak SCUBA-2 , instrument HAWC+ w Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy , Atacama Cosmology Telescope , Cryogenic Dark Matter Search , Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers , E i Eksperyment B , Teleskop Bieguna Południowego , polarymetr Spider , instrument X-IFU należący do Advanced Telescope for High Energy Astrophysics satelitę, przyszły eksperyment LiteBIRD z polaryzacją kosmicznego mikrofalowego tła, Obserwatorium Simonsa oraz Eksperyment CMB Stage-IV.