仪器设备

[跃迁边缘传感器 (TES) 简介]

( 本文为astroleaks试稿第15篇, 感谢中国科学技术大学侯磊的投稿, 这篇文章是 AstroLeaks 第一篇介绍天文仪器设备及其原理的简介型文章. TES 广泛应用于(亚)毫米波 和 X-ray 波段的观测, 也是Dome-A 南极天文项目可能发展的仪器设备. 我们借此希望各位研究天文仪器设备相关工作的同学参加到我们的讨论中来; 欢迎就文章形式,内容, 难度, 排版等各种问题发表您的意见! )

标题: 跃迁边缘传感器 (TES) 简介
编辑供稿: 侯磊 (中国科学技术大学)

背景介绍

1911年,Onnes发现,将汞冷却至Tc=4.2K时汞的电阻突然降为零,这就是超导现象。超导相变是相当急剧的,如图1所示,指数敏感度\alpha=d(log R)/d(log T) , 比半导体电热调节器温度计敏感度高两个数量级。 跃迁边缘传感器(transition-edge sensor,TES),就是基于超导相变时电阻急剧变化的原理制作的,它是由一片工作在临界温度附近的窄温度区的超导薄膜构成。由于相变区间电阻对温度的变化非常敏感,极小的温度变化就可引起很大的电阻变化,温度敏感性极强。所以TES温度计比起半导体器件具有快速响应、大热容、最小探测能量较低等特点,但其缺点是不稳定以及容易饱和。现在TES探测器在毫米、亚毫米和X-ray天文学仪器上都有广泛的应用。

图 1. TES 中阻抗随温度变化的相应曲线.

TES探测器原理

TES温度计可以用来制作测热计(bolometer)来测量辐射功率,比如毫米、亚毫米波段探测器;也可以测量单个光子的能量脉冲(calorimeter),比如X-ray探测器。其主要参数为:1、临界温度Tc;2、敏感度\alpha = d (logR)/d(logT)= (T/R) (dR/dT) ,或者\alpha = (1/R)(dR/dT) ;3、响应时间;4、对于TES calorimeter,还有能量分辨率参数(比如 2 eV at 6 KeV,即测量6KeV的光子时能量分辨率为2 eV)。待测的辐射功率或者光子脉冲的能量先被吸收体吸收,然后通过热传导被TES探测器接收,TES的温度变化导致电阻变化,从而可以读出电信号。TES的信号一般由SQUID(superconducting quantum interference device)读出,电路简图如图2所示。

图 2. TES 电路简图.

TES探测器的制作

常见低温制冷设备的温度一般在100mK或者400mK左右,但金属的临界温度各自不同,因此需要对TES薄膜材料进行严格的工艺处理来改变临界温度。常见的方法是有三种:1、超导金属膜,通过特殊工艺制作的金属膜临界温度与块状的同样种类金属的临界温度不同;2、超导/普通金属双层膜或者多层膜,通过控制金属种类以及膜的厚度和层与层的间距可以改变临界温度;3、超导体金属里掺杂磁杂质。吸收体则一般用氮化物,如Si_3N_4 等。将TES薄膜和吸收体镀在衬底上并加上隔板,就完成了TES探测器的单个像素的结构,如图3所示;图4给出了该结构的制作工艺流程。将若干个上述像素单元组成一个子阵列(subarray),几个子阵列再组成更大的阵列结构,如图5所示。将多个子阵列合并而成的TES阵列接入合适的电路,就是最终使用的TES探测器。

图3. TES探测器单个像素的结构

图 4. TES单个单元结构的制作工艺流程

图 5. 多个子阵列合并成最终的TES阵列形状.

展望

中国南极天文台将来的一项重要任务就是在南极Dome A架设亚毫米/THz波段的天文望远镜,为中国将来的亚毫米/THz波段天文学提供有力的支持。我们可以期待,将来有可能在Dome A的亚毫米/THz望远镜上看到TES探测器大显身手。

参考文献和扩展阅读

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讨论

4 thoughts on “[跃迁边缘传感器 (TES) 简介]

  1. 赞扬师兄!

    仪器这方面一无所知,还是请教几个细节吧,

    1.通常设计仪器都是尽量让其响应为线性,TES在其相变点附近的线性程度如何?对于非线性的响应,后期是怎么处理的?对于亚毫米波,通常TES动态范围有多大?

    2.单像素中的heater是做什么的?如何稳定这个探测器的工作温度?(似乎这是低温工程的事情,顺便问下…)

    3.TES是如何校准的?

    说实话以前只是知道有这么个东西…

    Posted by shiaki | 四月 28, 2011, 10:30 上午
    • 1、(1)本来TES只有在小信号近似下才是线性的,但是通过加入负热电反馈(negative electrothermal feedback)可以很好地提高线性区域的带宽。参见扩展阅读里TES综述文章的2.5节。
      (2)非线性响应,对于bolometer,一种方案是用两种不同Tc的TES,线性情况下用低Tc的,饱和时能自动切换至高Tc的TES。对于calarimeter,如果光子能量高出饱和能量,但高出不很多,其效果只是增加恢复时间,说白了就是能量高的光子会把能量脉冲变成时间比较长的一个峰,但如果这个时间和系统本身的响应时标比仍然很短,则对光子能量值的测量影响很小,但能量分辨率会降低。calarimeter光子能量较高情况,可以采用不同的filter function来解决这个问题。参见综述2.8,我对这里面有些技术性东西也不是很了解。
      (3)你是问TES的线性范围有多大?超导的相变区域大概有0.1~1mK的温度范围,至于能量范围,则看你选取的材料热容了。扩展阅读里的SCUBA-2文章里给的热容是几个pJ/K。

      Posted by Hou, Lei | 四月 28, 2011, 11:57 上午
    • 2、heater是个电阻,用来补偿背景信号的变化。制冷器一般有400mK(3 He cryostat operation), or 100mK (operation with adiabatic-demagnetization
      and dilution refrigerators)。我对制冷的具体问题也不清楚。
      3、TES的工作零点(R0,T0),是通过(没有能量输入情况下的)电路的偏置信号精确控制的,所以只需调好电路就可以

      Posted by Hou, Lei | 四月 28, 2011, 12:16 下午
    • 其实我才是对仪器一无所知……只是去年刚好看过这方面的东西,就拿出来献丑了

      Posted by Hou, Lei | 四月 28, 2011, 1:22 下午

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