Un sensor de borde de transición ( TES ) es un tipo de sensor de energía criogénica o detector de partículas criogénicas que explota la resistencia fuertemente dependiente de la temperatura de la transición de fase superconductora .
Historia
Las primeras demostraciones del potencial de medición de la transición superconductora aparecieron en la década de 1940, 30 años después del descubrimiento de Onnes de la superconductividad . DH Andrews demostró el primer bolómetro de borde de transición , un cable de tantalio polarizado por corriente que usó para medir una señal infrarroja. Posteriormente, demostró un calorímetro de borde de transición hecho de nitruro de niobio que se utilizó para medir partículas alfa . [1] Sin embargo, el detector TES no ganó popularidad durante unos 50 años, debido principalmente a la dificultad de estabilizar la temperatura dentro de la estrecha región de transición superconductora, especialmente cuando se operaba más de un píxel al mismo tiempo, y también debido a la dificultad de la lectura de la señal de un sistema de tan baja impedancia . El calentamiento de Joule en un TES con polarización de corriente puede provocar una fuga térmica que lleva al detector al estado normal (no superconductor), un fenómeno conocido como retroalimentación electrotérmica positiva . El problema de la fuga térmica fue resuelto en 1995 por KD Irwin polarizando el voltaje del TES, estableciendo una retroalimentación electrotérmica negativa estable y acoplándolos a amplificadores de corriente de dispositivos de interferencia cuántica superconductores ( SQUID ). [2] Este avance ha llevado a la adopción generalizada de detectores TES. [3]
Configuración, operación y lectura
El TES está polarizado por voltaje al conducir una fuente de corriente I polarizada a través de una resistencia de carga R L (ver figura). El voltaje se elige para poner el TES en su llamada "región autopolarizada" donde la potencia disipada en el dispositivo es constante con el voltaje aplicado. Cuando un fotón es absorbido por el TES, esta potencia extra se elimina por retroalimentación electrotérmica negativa : la resistencia del TES aumenta, provocando una caída en la corriente del TES; la potencia de Joule a su vez cae, enfriando el dispositivo de nuevo a su estado de equilibrio en la región autopolarizada. En un sistema de lectura común de SQUID , el TES se opera en serie con la bobina de entrada L , que está acoplada inductivamente a una matriz en serie SQUID. Por lo tanto, un cambio en la corriente TES se manifiesta como un cambio en el flujo de entrada al SQUID, cuya salida se amplifica y lee aún más mediante la electrónica de temperatura ambiente.
Funcionalidad
Cualquier sensor bolométrico emplea tres componentes básicos: un absorbedor de energía incidente, un termómetro para medir esta energía y un enlace térmico a la temperatura base para disipar la energía absorbida y enfriar el detector. [4]
Amortiguador
El esquema de absorción más simple se puede aplicar a los TES que operan en los regímenes de infrarrojo cercano, óptico y ultravioleta. Estos dispositivos generalmente utilizan un TES de tungsteno como su propio absorbente, que absorbe hasta el 20% de la radiación incidente. [5] Si se desea una detección de alta eficiencia, el TES puede fabricarse en una cavidad óptica multicapa sintonizada a la longitud de onda operativa deseada y empleando un espejo trasero y un revestimiento antirreflejos en el lado frontal. Tales técnicas pueden disminuir la transmisión y la reflexión de los detectores a valores insignificantemente bajos; Se ha observado una eficacia de detección del 95%. [4] A energías más altas, el principal obstáculo para la absorción es la transmisión, no la reflexión, por lo que es deseable un absorbente con un alto poder de detención de fotones y baja capacidad calorífica; a menudo se emplea una película de bismuto . [3] Todo absorbedor debe tener una baja capacidad calorífica con respecto al TES. Una mayor capacidad calorífica en el absorbedor contribuirá al ruido y disminuirá la sensibilidad del detector (dado que una determinada energía absorbida no producirá un cambio tan grande en la resistencia TES). Para la radiación de IR lejano en el rango milimétrico, los esquemas de absorción comúnmente emplean antenas o cuernos de alimentación . [3]
Termómetro
El TES funciona como termómetro de la siguiente manera: la energía incidente absorbida aumenta la resistencia del sensor polarizado por voltaje dentro de su región de transición, y la integral de la caída de corriente resultante es proporcional a la energía absorbida por el detector. [5] La señal de salida es proporcional al cambio de temperatura del absorbedor y, por lo tanto, para una sensibilidad máxima, un TES debe tener una capacidad calorífica baja y una transición estrecha. Importantes propiedades TES incluyendo no sólo la capacidad de calor, sino también conductancia térmica son fuertemente dependientes de la temperatura, por lo que la elección de la temperatura de transición T c es crítica para el diseño del dispositivo. Además, T c debe ser elegido para alojar el disponible sistema criogénico . El tungsteno ha sido una opción popular para los TES elementales, ya que el tungsteno de película delgada muestra dos fases, una con T c ~ 15 mK y la otra con T c ~ 1–4 K, que se pueden combinar para ajustar con precisión la T c general del dispositivo . [6] Los TES bicapa y multicapa son otro enfoque de fabricación popular, en el que se combinan películas delgadas de diferentes materiales para lograr la T c deseada . [3]
Conductancia térmica
Finalmente, es necesario sintonizar el acoplamiento térmico entre el TES y el baño de líquido refrigerante; Es necesaria una baja conductancia térmica para garantizar que el TES vea la energía incidente en lugar de perderla directamente en el baño. Sin embargo, el enlace térmico no debe ser demasiado débil, ya que es necesario enfriar el TES de nuevo a la temperatura del baño después de que se haya absorbido la energía. Dos métodos para controlar el enlace térmico son el acoplamiento de electrones y fonones y el mecanizado mecánico. A temperaturas criogénicas, los sistemas de electrones y fonones de un material solo pueden acoplarse débilmente. La conductancia térmica electrón-fonón depende en gran medida de la temperatura y, por lo tanto, la conductancia térmica se puede ajustar ajustando T c . [3] [4] Otros dispositivos utilizan medios mecánicos para controlar la conductancia térmica, como construir el TES en una membrana submicrométrica sobre un agujero en el sustrato o en medio de una estructura escasa de "telaraña". [7]
Ventajas y desventajas
Los detectores TES son atractivos para la comunidad científica por una variedad de razones. Entre sus atributos más llamativos se encuentran una alta eficiencia de detección sin precedentes personalizable a longitudes de onda desde el régimen milimétrico hasta los rayos gamma [3] [4] y un nivel de recuento oscuro de fondo teóricamente insignificante (menos de 1 evento en 1000 s debido a fluctuaciones térmicas intrínsecas del dispositivo [5] ). (En la práctica, aunque solo una señal de energía real creará un pulso de corriente, el algoritmo de conteo puede registrar un nivel de fondo distinto de cero o la presencia de luz de fondo en la configuración experimental. Incluso la radiación térmica del cuerpo negro puede verse mediante un TES optimizado para uso en el régimen visible.)
Los detectores de fotón único TES adolecen, no obstante, de algunas desventajas en comparación con sus homólogos de fotodiodos de avalancha (APD). Los APD se fabrican en pequeños módulos, que cuentan los fotones listos para usar con un tiempo muerto de unos pocos nanosegundos y emiten un pulso correspondiente a cada fotón con un jitter de decenas de picosegundos. Por el contrario, los detectores TES deben funcionar en un entorno criogénico, emitir una señal que debe analizarse más a fondo para identificar fotones y tener una fluctuación de aproximadamente 100 ns. [4] Además, un pico de fotón único en un detector TES dura del orden de microsegundos.
Aplicaciones
Las matrices TES se están volviendo cada vez más comunes en experimentos de física y astronomía como SCUBA-2 , el instrumento HAWC + en el Observatorio estratosférico de astronomía infrarroja , el Telescopio de cosmología de Atacama , la Búsqueda de materia oscura criogénica , la Búsqueda de eventos criogénicos raros con termómetros superconductores , el E y el Experimento B , el Telescopio del Polo Sur , el polarímetro Spider , el instrumento X-IFU del satélite Advanced Telescope for High Energy Astrophysics , el futuro Experimento de polarización de fondo de microondas cósmico LiteBIRD , el Observatorio Simons y el Experimento CMB Stage-IV.
Ver también
- Bolómetro
- Detectores de partículas criogénicas
Referencias
- ^ DH Andrews y col. , "Superconductores atenuados I. Para medir la radiación infrarroja". Rev. Sci. Instrum. , 13 , 281 (1942), doi : 10.1063 / 1.1770037 .
- ^ KD Irwin, "Una aplicación de retroalimentación electrotérmica para la detección de partículas criogénicas de alta resolución". Apl. Phys. Letón. , 66 , 1998 (1995), doi : 10.1063 / 1.113674 .
- ^ a b c d e f K. D. Irwin y GC Hilton, "Sensores de borde de transición", Detección de partículas criogénicas , ed. C. Enss, Springer (2005), doi : 10.1007 / 10933596_3 .
- ^ a b c d e A. Lita y col. , "Recuento de fotones individuales del infrarrojo cercano con una eficiencia del 95%", Optics Express 16 , 3032 (2008), doi : 10.1364 / OE.16.003032 .
- ^ a b c A. J. Miller y col. , "Demostración de un contador de fotones de infrarrojo cercano de bajo ruido con discriminación multifotónica", Appl. Phys. Letón. , 83 , 791–793. (2003), doi : 10.1063 / 1.1596723 .
- ^ A. Lita y col. , "Ajuste de la temperatura de transición superconductora de película delgada de tungsteno para la fabricación de detectores de resolución de número de fotones", IEEE Trans. Apl. Supercond. , 15 , 3528 (2005), doi : 10.1109 / TASC.2005.849033 .
- ^ J. Bock y col. , "Un bolómetro novedoso para la astrofísica infrarroja y de ondas milimétricas", Space Science Reviews , 74 , 229-235 (1995), doi : 10.1007 / BF00751274 .