전환 에지 센서

Transition-edge sensor
Image of four tungsten transition-edge sensors.
근적외선 단일 포톤 검출용 텅스텐 전환 에지 센서 4개의 광학 이미지.이미지 크레딧: NIST.

전환 에지 센서(TES)는 극저온 에너지 센서 또는 극저온 입자 검출기의 일종으로, 초전도 위상 전환의 강한 온도 의존적 저항을 이용한다.

역사

초전도 전환의 측정 가능성에 대한 첫 시연은 온네스가 초전도성을 발견한 지 30년 후인 1940년대에 나타났다.D. H. Andrews는 적외선 신호를 측정할 때 사용했던 전류 편향 탄탈룸 와이어인 첫 번째 전환 에지 볼로미터를 시연했다.그 후 그는 알파 입자를 측정하는 데 사용된 질화 니오비움으로 만들어진 전환 에지 칼로리미터를 시연했다.[1]그러나 테스 검출기는 주로 좁은 초전도 전환 지역 내에서 온도 안정화가 어려웠으며, 특히 두 픽셀 이상의 화소를 동시에 작동시켰으며, 또한 그러한 저임피던스 시스템에서 신호 판독이 어려웠기 때문에 약 50년 동안 인기를 얻지 못했다.전류 바이어스 TES에서 줄 가열은 검출기를 정상(비초전도) 상태로 구동하는 열가동을 유발할 수 있으며, 이는 양성 전열 피드백으로 알려진 현상이다.열가출 문제는 1995년 K.D.에 의해 해결되었다.Irwin은 TES를 전압 바이어싱하여 안정적인 음의 전자열 피드백을 설정하고 이를 초전도 양자 간섭 소자(SQUID) 전류 증폭기에 결합한다.[2]이러한 돌파구는 테스 검출기의 광범위한 채택으로 이어졌다.[3]

설정, 작동 및 판독

Schematic of TES-SQUID circuit
TES-SQUID 회로도

TES는 부하 저항기 R을L 통해 전류 소스 I를bias 구동함으로써 전압 편중된다(그림 참조).이 전압은 TES를 장치에서 소멸되는 전력이 인가 전압과 일정하게 작용하는 이른바 "자기 편향 영역"에 놓기 위해 선택된다.광자가 TES에 흡수되면 이 여분의 전력은 음의 전열 피드백에 의해 제거된다. 즉, TES 저항이 증가하여 TES 전류가 감소하고 Joule 전원이 감소하여 장치가 자기편향 부위에서 평형 상태로 냉각된다.일반적인 SQUID 판독 시스템에서 TES는 입력 코일 L과 직렬로 작동되며, 이는 SQUID 시리즈 어레이에 유도적으로 결합된다.따라서 TES 전류 변화는 SQUID에 대한 입력 플럭스의 변화로 나타나며, SQUID의 출력은 더욱 증폭되어 실온 전자 장치에 의해 읽힌다.

기능

모든 대기압 센서는 세 가지 기본 구성 요소, 즉 입사 에너지의 흡수기, 이 에너지를 측정하기 위한 온도계 및 흡수된 에너지를 소산하고 검출기를 냉각하기 위한 기저 온도에 대한 열 링크를 사용한다.[4]

흡수기

가장 간단한 흡수 방식은 근IR, 광학 및 UV 방식에서 작동하는 TES에 적용될 수 있다.이 장치들은 일반적으로 텅스텐 TES를 자체 흡수기로 활용하는데, 이 흡수체는 입사 방사선의 최대 20%를 흡수한다.[5]고효율 검출이 필요한 경우, 원하는 작동 파장에 맞춰 조정된 다층 광학 캐비티에서 후면 미러와 전면 반사 코팅으로 TES를 제작할 수 있다.그러한 기법은 검출기의 전송 및 반사를 무시할 수 없을 정도로 낮은 값으로 감소시킬 수 있다. 95% 검출 효율성이 관찰되었다.[4]높은 에너지에서 흡수의 주요 장애물은 반사가 아닌 전송이며, 따라서 광자 정지 동력이 높고 열 용량이 낮은 흡수기가 바람직하며 비스무트 필름을 사용하는 경우가 많다.[3]모든 흡수기는 TES와 관련하여 낮은 열 용량을 가져야 한다.흡수기의 열 용량은 소음에 기여하고 검출기의 민감도를 감소시킨다(특정 흡수 에너지가 TES 저항의 변화만큼 크지 않기 때문이다).밀리미터 범위로의 Far-IR 방사선의 경우, 흡수 체계는 일반적으로 안테나 또는 피드를 사용한다.[3]

온도계

TES는 다음과 같은 방식으로 온도계로 작동한다: 흡수된 입사 에너지는 전환 영역 내에서 전압 편향 센서의 저항을 증가시키며, 결과 전류 강하의 적분은 검출기에 의해 흡수된 에너지에 비례한다.[5]출력 신호는 흡수기의 온도 변화에 비례하므로 최대 감도를 위해 TES는 열 용량이 낮고 전환이 협소해야 한다.열용량뿐만 아니라 열전도성을 포함한 중요한 TES 특성은 온도에 따라 크게 달라지기 때문에 전환 온도 T의c 선택은 기기 설계에 매우 중요하다.또한 사용 가능한 극저온 시스템을 수용하도록 T를c 선택해야 한다.텅스텐은 박막 텅스텐이 Tc~15mK로, Tc~1~4K로 2상을 표시해 전체 장치 T를c 미세하게 튜닝할 수 있도록 결합할 수 있어 원소형 TES에게 인기 있는 선택이었다.[6]빌레이어와 다중 레이어 TES는 다른 재료의 박막을 조합하여 원하는 T를c 달성하는 또 다른 인기 있는 제작 접근법이다.[3]

열전도율

마지막으로, TES와 냉각액 욕조 사이의 열 커플링을 조절할 필요가 있다; 낮은 열 전도성은 욕조에 직접 손실되기 보다는 TES가 입사 에너지를 볼 수 있도록 하기 위해 필요하다.단, 에너지가 흡수된 후 TES를 다시 목욕 온도로 식혀야 하기 때문에 열 링크가 너무 약해서는 안 된다.열 링크를 제어하는 두 가지 접근방식은 전자-포논 커플링과 기계 가공에 의해 이루어진다.극저온에서, 물질의 전자와 음소계는 약하게 결합될 수 있을 뿐이다.전자-포논 열전도율은 온도에 따라 크게 달라지며, 따라서 T를c 조정하여 열전도도를 조정할 수 있다.[3][4]다른 장치들은 기질에 있는 구멍 위나 희박한 "스파이더웹" 구조 가운데에 있는 미크로미터 이하의 막에 TES를 건설하는 것과 같은 열 전도성을 제어하는 기계적 수단을 사용한다.[7]

장단점

테스 검출기는 다양한 이유로 과학계에 매력적이다.이들의 가장 두드러진 속성으로는 밀리미터 정계에서 감마선에[3][4] 이르는 파장에 맞춤화할 수 있는 전례 없는 높은 검출 효율과 이론적으로[5] 무시할 수 있는 배경 다크 카운트 레벨이 있다.(실제에서는 실제 에너지 신호만이 전류 펄스를 생성하지만, 0이 아닌 배경 레벨은 카운팅 알고리즘이나 실험 설정에서 배경 조명의 존재에 의해 등록될 수 있다.열 흑체 방사선도 가시적 시스템에서 사용하도록 최적화된 TES에 의해 보일 수 있다.)

테스 단광 검출기는 눈사태 광다이오드(APD) 검출기와 비교해 몇 가지 단점이 있다.APD는 작은 모듈로 제조되는데, 이 모듈에서는 죽은 시간이 몇 나노초인 광자를 즉시 계산하고 각 광자에 해당하는 펄스를 수십 피코초인 지터로 출력한다.이와는 대조적으로 테스 검출기는 극저온 환경에서 작동해야 하며 광자를 식별하기 위해 추가로 분석해야 하는 신호를 출력해야 하며 지터는 약 100ns이다.[4]게다가, TES 검출기의 단광자 스파이크는 마이크로초 단위로 지속된다.

적용들

TES 어레이는 SCOVAC-2, 적외선 천문대의 HOWC+ 계기, 아타카마 우주 망원경, 극저온 암흑 물질 탐색, 초전도 온도계를 이용한 극저온 희귀 사건 탐색, E와 B 실험, 남극 T 실험에서 점점 더 보편화되고 있다.에레스코프, 스파이더 폴라미터, 고에너지 천체물리학용 첨단 망원경의 X-IFU 기구, 미래 LiteBIRD 우주 마이크로파 배경 양극화 실험, 시몬스 관측소, CMB 단계-IV 실험.

참고 항목

참조

  1. ^ D. H. Andrews 외, "감쇠된 초전도체 I.적외선 방사선 측정용".사이언스 목사 instrum, 13, 281 (1942) doi:10.1063/1.1770037.
  2. ^ K. D. 어윈 "고해상도 극저온 입자 탐지를 위한 전열 피드백 적용"용액. 물리. 레트, 66, 1998 (1995), doi:10.1063/1.113674.
  3. ^ a b c d e f K. D. 어윈과 G. C.힐튼, "변환 에지 센서", 극저온 입자 감지, ed.C. Enss, Springer(2005), doi:10.1007/10933596_3.
  4. ^ a b c d e A. 리타 외, "효율 95%의 근적외선 단일 광자 수", 광학 익스프레스 16, 3032(2008), doi:10.1364/OE.16.003032.
  5. ^ a b c A. J. 밀러 외 연구진, "멀티호톤 차별로 저소음 근적외선 광자 카운터 시연", Appl. 물리적, 83, 791–793. (2003), doi:10.1063/1.1596723.
  6. ^ A. 리타 외, "광자 번호 결정 검출기 제작을 위한 텅스텐 박막 초전도 전환 온도 튜닝", IEEE Trans. Appl. Supercond, 15, 3528 (2005), doi:10.1109/TASC. 2005.849033.
  7. ^ J. Bock 등, "적외선 및 밀리미터파 천체물리학을 위한 새로운 도량계", 우주 과학 리뷰, 74, 229–235(1995), doi:10.1007/BF00751274.