Övergångskantsensor
En transition-edge sensor ( TES ) är en typ av kryogen energisensor eller kryogenisk partikeldetektor som utnyttjar det starkt temperaturberoende motståndet hos den supraledande fasövergången .
Historia
De första demonstrationerna av den supraledande övergångens mätpotential dök upp på 1940-talet, 30 år efter Onnes upptäckt av supraledning . DH Andrews demonstrerade den första övergångskantbolometern , en strömförspänd tantaltråd som han använde för att mäta en infraröd signal . Därefter visade han en övergångskantkalorimeter gjord av niobiumnitrid som användes för att mäta alfapartiklar . TES-detektorn blev dock inte populär på cirka 50 år, främst på grund av svårigheten att stabilisera temperaturen inom det smala supraledande övergångsområdet, särskilt när mer än en pixel användes samtidigt, och även på grund av svårigheten att signalavläsning från ett sådant lågimpedanssystem . Jouleuppvärmning i en strömförspänd TES kan leda till termisk rusning som driver detektorn till normalt (icke-supraledande) tillstånd, ett fenomen som kallas positiv elektrotermisk återkoppling . Det termiska runaway-problemet löstes 1995 av KD Irwin genom att spänningsförspänna TES, etablera stabil negativ elektrotermisk återkoppling och koppla dem till supraledande kvantinterferensanordningar ( SQUID ) strömförstärkare. Detta genombrott har lett till en utbredd användning av TES-detektorer.
Inställning, drift och avläsning
TES:n är spänningsförspänd genom att driva en strömkälla I- förspänning genom ett belastningsmotstånd RL (se figur) . Spänningen är vald för att placera TES i dess så kallade "självförspända region" där effekten som förbrukas i enheten är konstant med den pålagda spänningen. När en foton absorberas av TES, tas denna extra effekt bort av negativ elektrotermisk återkoppling : TES- resistansen ökar, vilket orsakar ett fall i TES-strömmen; Joule -effekten i sin tur sjunker, vilket kyler enheten tillbaka till dess jämviktstillstånd i det självförspända området. I ett vanligt SQUID- avläsningssystem drivs TES i serie med ingångsspolen L , som är induktivt kopplad till en SQUID-serie-array. En förändring i TES-ström manifesteras således som en förändring i ingångsflödet till SQUID, vars utgång förstärks ytterligare och avläses av rumstemperaturelektronik.
Funktionalitet
Varje bolometrisk sensor använder tre grundläggande komponenter: en absorbator av infallande energi, en termometer för att mäta denna energi och en termisk länk till bastemperaturen för att avleda den absorberade energin och kyla detektorn.
Absorbator
Det enklaste absorptionsschemat kan tillämpas på TES:er som arbetar i nära-IR, optiska och UV-regimer. Dessa enheter använder i allmänhet en volfram TES som sin egen absorbator, som absorberar upp till 20 % av den infallande strålningen. Om högeffektiv detektering önskas, kan TES tillverkas i en optisk kavitet i flera lager som är avstämd till den önskade arbetsvåglängden och med användning av en bakspegel och en antireflekterande beläggning på framsidan. Sådana tekniker kan minska transmissionen och reflektionen från detektorerna till försumbart låga värden; 95 % detektionseffektivitet har observerats. Vid högre energier är det primära hindret för absorption transmission, inte reflektion, och därför är en absorbator med hög fotonstoppeffekt och låg värmekapacitet önskvärd; en vismutfilm används ofta. Alla absorbatorer bör ha låg värmekapacitet i förhållande till TES. Högre värmekapacitet i absorbatorn kommer att bidra till buller och minska detektorns känslighet (eftersom en given absorberad energi inte kommer att ge lika stor förändring i TES-resistans). För långtgående IR-strålning i millimeterområdet använder absorptionsscheman vanligtvis antenner eller matarhorn .
Termometer
TES fungerar som en termometer på följande sätt: absorberad infallande energi ökar motståndet hos den spänningsförspända sensorn inom dess övergångsområde, och integralen av det resulterande strömfallet är proportionell mot energin som absorberas av detektorn. Utsignalen är proportionell mot absorbatorns temperaturförändring och därför bör en TES för maximal känslighet ha låg värmekapacitet och en smal övergång. inklusive inte bara värmekapacitet utan även värmeledningsförmåga är starkt temperaturberoende, så valet av övergångstemperatur Tc är avgörande för enhetens design. Dessutom Tc väljas för att rymma det tillgängliga kryogena systemet . Volfram har varit ett populärt val för elementära TES eftersom tunnfilmsvolfram visar två faser, en med T c ~15 mK och den andra med T c ~1–4 K, som kan kombineras för att finjustera den övergripande enheten T c . Tvåskikts- och flerskikts-TES är en annan populär tillverkningsmetod, där tunna filmer av olika material kombineras för att uppnå önskad Tc .
Värmeledningsförmåga
Slutligen är det nödvändigt att ställa in den termiska kopplingen mellan TES och badet av kylvätska; en låg värmeledningsförmåga är nödvändig för att säkerställa att infallande energi ses av TES snarare än att förloras direkt till badet. Den termiska länken får dock inte vara för svag, eftersom det är nödvändigt att kyla TES tillbaka till badtemperaturen efter att energin har absorberats. Två metoder för att styra den termiska länken är genom elektron-fonon-koppling och genom mekanisk bearbetning. Vid kryogena temperaturer elektron- och fononsystemen i ett material endast bli svagt kopplade. Elektron-fonon-värmekonduktansen är starkt temperaturberoende, och därför kan den termiska konduktansen justeras genom att justera T c . Andra enheter använder mekaniska medel för att kontrollera den termiska konduktansen som att bygga TES på ett submikrometermembran över ett hål i substratet eller i mitten av en gles "spindelnät"-struktur.
Fördelar och nackdelar
TES-detektorer är attraktiva för forskarvärlden av en mängd olika anledningar. Bland deras mest slående egenskaper är en oöverträffad hög detektionseffektivitet som kan anpassas till våglängder från millimeterregimen till gammastrålar och en teoretiskt försumbar bakgrundsmörkertalsnivå (mindre än 1 händelse på 1000 s från enhetens inneboende termiska fluktuationer ) . (I praktiken, även om endast en verklig energisignal kommer att skapa en strömpuls, kan en bakgrundsnivå som inte är noll registreras av räknealgoritmen eller närvaron av bakgrundsljus i experimentuppställningen. Även termisk svartkroppsstrålning kan ses av en TES optimerad för användning i det synliga regimen.)
TES singelfotondetektorer lider ändå av några nackdelar jämfört med sina motsvarigheter till lavinfotodioder ( APD). APD:er tillverkas i små moduler, som räknar fotoner ur lådan med en dödtid på några nanosekunder och matar ut en puls som motsvarar varje foton med ett jitter på tiotals pikosekunder. Däremot måste TES-detektorer drivas i en kryogen miljö, mata ut en signal som måste analyseras ytterligare för att identifiera fotoner och ha ett jitter på cirka 100 ns. Dessutom varar en enfotonspik på en TES-detektor i storleksordningen mikrosekunder.
Ansökningar
TES-matriser blir allt vanligare i fysik och astronomiexperiment som SCUBA-2 , HAWC+-instrumentet på Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy , Atacama Cosmology Telescope , Cryogenic Dark Matter Search , the Cryogenic Rare Event Search med Erm Superconducting och B Experiment , South Pole Telescope , Spider-polarimetern , X-IFU-instrumentet från Advanced Telescope for High Energy Astrophysics- satelliten, det framtida LiteBIRD Cosmic Microwave Background-polarisationsexperimentet, Simons Observatory och CMB Stage-IV-experimentet.