Криогендік бөлшек детекторлары: қасиеттері мен қолданылуы
Cryogenic particle detector
Криогендік бөлшектік детекторлар: абсолют нөлге жақын температурада жұмыс істейді, бөлшектерді анықтап, олардың түрін және әрекеттесуін анықтайды. Төмен температурадағы шу азаяды.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Криогенді бөлшектер детекторлары өте төмен температурада жұмыс істейді, әдетте абсолютті нөлден бірнеше градус ғана жоғары. Бұл сенсорлар энергетикалық элементар бөлшектермен (мысалы, фотонмен) әрекеттеседі және бөлшектің түрі мен әрекеттесу табиғатына қатысты сигнал береді. Көптеген бөлшектер детекторларының криогендік температурада жұмысының нәтижесін жақсартуға болады, бірақ бұл термин көбінесе төмен температурада ғана туындайтын ерекше эффектілерді немесе қасиеттерді пайдаланатын типтерді көрсетеді.
Cryogenic particle detectors operate at very low temperature, typically only a few degrees above absolute zero. These sensors interact with an energetic elementary particle (such as a photon) and deliver a signal that can be related to the type of particle and the nature of the interaction. While many types of particle detectors might be operated with improved performance at cryogenic temperatures, this term generally refers to types that take advantage of special effects or properties occurring only at low temperature.
Кіріспе
Кез келген сенсорды төмен температурада жұмыс істетудің ең көп айтылатын себебі – абсолюттік температураның квадрат түбіріне пропорционал жылу шуының төмендеуі. Дегенмен, өте төмен температурада кейбір материалдардың қасиеттері сенсордан өтетін бөлшектердің салған энергиясына өте сезімтал болады, және осы өзгерістерден алынатын пайда жылу шуын азайтудан да артық болуы мүмкін. Екі кеңінен қолданылатын қасиет – жылу сыйымдылығы және электр кедергісі, әсіресе суперөткізгіштік; басқа конструкциялар суперөткізгіштік туннельдік қосылыстарға, квазибөлшектерді ұстауға, суперсұйықтықтағы ротондарға, магниттік болиметрлерге және басқа принциптерге негізделген. Алғашқыда астрономия оптикалық және инфрақызыл сәулеленуге арналған криогендік детекторларды жасауға түрткі болды. Кейін бөлшектер физикасы және космология нейтрино, аксион және әлсіз өзара әрекеттесетін массивті бөлшектер (WIMP) сияқты белгілі және болжанған бөлшектерді анықтау үшін криогендік детекторларды дамытуға ықпал етті.
The most commonly cited reason for operating any sensor at low temperature is the reduction in thermal noise, which is proportional to the square root of the absolute temperature. However, at very low temperature, certain material properties become very sensitive to energy deposited by particles in their passage through the sensor, and the gain from these changes may be even more than that from reduction in thermal noise. Two such commonly used properties are heat capacity and electrical resistivity, particularly superconductivity; other designs are based on superconducting tunnel junctions, quasiparticle trapping, rotons in superfluids, magnetic bolometers, and other principles. Originally, astronomy pushed the development of cryogenic detectors for optical and infrared radiation. Later, particle physics and cosmology motivated cryogenic detector development for sensing known and predicted particles such as neutrinos, axions, and weakly interacting massive particles (WIMPs).
Көлденең бөлшектерді калориметрлік анықтау
Калориметр — материал үлгісіне жұмсалатын жылу мөлшерін өлшейтін құрылғы. Калориметр болмометрден айырмашылығы, калориметр энергияны өлшейді, ал болмометр қуатты өлшейді. Кристалдық диэлектрик материалдың (мысалы, кремний) Дебье температурасынан төмен температурада жылу сыйымдылығы абсолюттік температураның кубіне кері пропорционалды түрде төмендейді. Ол өте кішкентай болады, сондықтан белгілі бір жылу мөлшері үшін үлгінің температурасының өсуі салыстырмалы түрде жоғары болуы мүмкін. Бұл, мысалы, өтетін бөлшектің салған энергиясы сияқты, аз жылу мөлшері үшін калориметрде өте үлкен температуралық өзгеріс жасауды мүмкін етеді. Температураның көтерілуін классикалық калориметрдегідей стандартты терморезистор түрімен өлшеуге болады. Әдетте, осы әдіспен сезімтал бөлшектерді анықтағыш жасау үшін кішкентай үлгі мөлшері және өте сезімтал терморезисторлар қажет. Принцип бойынша, кедергі термометрлерінің бірнеше түрлерін қолдануға болады. Энергия жинағына сезімталдықтың шегі кедергінің ауытқу шамасымен анықталады, ал олар өз кезегінде жылу ауытқуларымен анықталады. Барлық резисторлар температурасына пропорционалды кернеу ауытқуларын көрсетеді, бұл Джонсон шуы деп аталатын құбылыс, сондықтан қажетті сезімталдыққа қол жеткізу үшін көбінесе температураны төмендету қажет.
A calorimeter is a device that measures the amount of heat deposited in a sample of material. A calorimeter differs from a bolometer in that a calorimeter measures energy, while a bolometer measures power. Below the Debye temperature of a crystalline dielectric material (such as silicon), the heat capacity decreases inversely as the cube of the absolute temperature. It becomes very small, so that the sample's increase in temperature for a given heat input may be relatively large. This makes it practical to make a calorimeter that has a very large temperature excursion for a small amount of heat input, such as that deposited by a passing particle. The temperature rise can be measured with a standard type of thermistor, as in a classical calorimeter. In general, small sample size and very sensitive thermistors are required to make a sensitive particle detector by this method. In principle, several types of resistance thermometers can be used. The limit of sensitivity to energy deposition is determined by the magnitude of resistance fluctuations, which are in turn determined by thermal fluctuations. Since all resistors exhibit voltage fluctuations that are proportional to their temperature, an effect known as Johnson noise, a reduction of temperature is often the only way to achieve the required sensitivity.
Өткiзгiш шеттерi бар суперөткiзгiш сенсорлар
Өте сезімтал калориметриялық сенсор, өтпелі жиек сенсоры (TES) деп белгілі, суперөткізгіштікті пайдаланады. Көптеген таза суперөткізгіштерде бірқатар төмен температурада қалыпты қарсылықтан суперөткізгіштікке өте күрт өту байқалады. Суперөткізгіштік фазалық өтуде жұмыс істеу арқылы, бөлшектің әсерінен туындаған температураның өте шағын өзгеруі қарсылықта маңызды өзгеріске алып келеді.
A very sensitive calorimetric sensor known as a transition edge sensor (TES) takes advantage of superconductivity. Most pure superconductors have a very sharp transition from normal resistivity to superconductivity at some low temperature. By operating on the superconducting phase transition, a very small change in temperature resulting from interaction with a particle results in a significant change in resistance.
Үдемелі өткізгіш туннель түйіспелері
Үстеме өткізгіш туннельдік түйіспе (STJ) өте жұқа (~нанометрлік) оқшаулағыш қабатпен бөлінген үстеме өткізгіш материалдың екі бөлігінен тұрады. Ол сондай-ақ суперөткізгіш-оқшаулағыш-суперөткізгіш туннельдік түйіспе (SIS) деп те аталады және Джозефсон түйіспесінің бір түрі болып табылады. Купер жұптары оқшаулағыш кедергі арқылы туннельдеуге қабілді, бұл құбылыс Джозефсон эффектісі деп аталады. Квазибөлшектер де кедергі арқылы туннельдеуі мүмкін, бірақ квазибөлшектер тогы суперөткізгіш энергияның екі еселенгенінен кем кернеуде басылады. STJ-дің бір жағына сіңірілген фотон Купер жұптарын бұзып, квазибөлшектерді жасайды. Түйіспеге қосылған кернеудің әсерімен квазибөлшектер туннельдеу арқылы өтеді, ал нәтижедегі туннельдік ток фотон энергиясына пропорционал болады. STJ фотонмен шақырылған туннельдеуден туындайтын ток-кернеу ерекшелігінің өзгеруін пайдалану арқылы гетеродин детектор ретінде де қолданылуы мүмкін. STJ 100 ГГц – 1 ТГц жиілік диапазонында қол жетімді ең сезімтал гетеродин детекторлары болып табылады және осы жиіліктерде астрономиялық байқаулар үшін пайдаланылады.
The superconducting tunnel junction (STJ) consists of two pieces of superconducting material separated by a very thin (~nanometer) insulating layer. It is also known as a superconductor insulator superconductor tunnel junction (SIS) and is a type of a Josephson junction. Cooper pairs can tunnel across the insulating barrier, a phenomenon known as the Josephson effect. Quasiparticles can also tunnel across the barrier, although the quasiparticle current is suppressed for voltages less than twice the superconducting energy gap. A photon absorbed on one side of a STJ breaks Cooper pairs and creates quasiparticles. In the presence of an applied voltage across the junction, the quasiparticles tunnel across the junction, and the resulting tunneling current is proportional to the photon energy. The STJ can also be used as a heterodyne detector by exploiting the change in the nonlinear current–voltage characteristic that results from photon assisted tunneling. STJs are the most sensitive heterodyne detectors available for the 100 GHz – 1 THz frequency range and are employed for astronomical observation at these frequencies.
Кинетикалық индуктивтілік детекторлары
Кинетикалық индуктивтілік детекторы (KID) – суперөткізгіш материалдың жұқа жолағында фотондардың жұтылуынан туындайтын кинетикалық индуктивтіліктің өзгеруін өлшеуге негізделген. Индуктивтіліктің өзгеруі көбінесе микротолқындық резонатордың резонанстық жиілігінің өзгеруі арқылы анықталады, сондықтан бұл детекторлар микротолқындық кинетикалық индуктивтілік детекторлары (МКИД) деп те аталады.
The kinetic inductance detector (KID) is based on measuring the change in kinetic inductance caused by the absorption of photons in a thin strip of superconducting material. The change in inductance is typically measured as the change in the resonant frequency of a microwave resonator, and hence these detectors are also known as microwave kinetic inductance detectors (MKIDs).
Артық өткізгіш түйіршіктер
Тек суперөткізгіштікке өту арқылы өтетін бөлшектің салдарынан туындаған жылуды тікелей өлшеуге болады. Магниттік өрістегі I типті суперөткізгіш түйіршік толық диамагнетизмді көрсетеді және өрісті өз ішкі кеңістігінен толығымен шығарып тастайды. Егер оны өтпелі температурадан сәл төмен ұстаса, бөлшектің сәулеленуінен қызған кезде суперөткізгіштік жоғалады, ал өріс кенеттен ішке еніп кіреді. Бұл өріс өзгерісін айналадағы катушкамен анықтауға болады. Түйіршік салқындағанда бұл өзгеріс қайтымды болады. Іс жүзінде түйіршіктер өте кішкентай, сақтықпен жасалған және катушкаға мұқият жалғанған болуы керек.
The superconducting transition alone can be used to directly measure the heating caused by a passing particle. A type I superconducting grain in a magnetic field exhibits perfect diamagnetism and excludes the field completely from its interior. If it is held slightly below the transition temperature, the superconductivity vanishes on heating by particle radiation, and the field suddenly penetrates the interior. This field change can be detected by a surrounding coil. The change is reversible when the grain cools again. In practice the grains must be very small and carefully made, and carefully coupled to the coil.
Магниттік калориметрлер
Парамагниттік сирек жер иондары жылу сыйымдылығы төмен материалға сіңірілген жылудың әсерінен болатын парамагниттік атомдардың спинінің өзгеруін сезу арқылы бөлшек сенсорлары ретінде қолданылады. Бұл иондар магниттік термометр қызметін атқарады.
Paramagnetic rare earth ions are being used as particle sensors by sensing the spin flips of the paramagnetic atoms induced by heat absorbed in a low heat capacity material. The ions are used as a magnetic thermometer.
Фонондық бөлшектерді анықтау
Калориметрлер үлгі жылулық тепе-теңдікте немесе оған жақын күйде екенін қабылдайды. Кристаллдық материалдардағы өте төмен температурада бұл міндетті түрде осылай болуы керек емес. Бөлшектің әсерлесуінен туындаған кристалл тордың элементарлық қозуларын, яғни фонондарды өлшеу арқылы әлдеқайда көп ақпарат алуға болады. Мұны суперөткізгіштік ауысу жиегі сенсорлары сияқты бірнеше әдістермен жүзеге асыруға болады.
Calorimeters assume the sample is in thermal equilibrium or nearly so. In crystalline materials at very low temperature this is not necessarily the case. A good deal more information can be found by measuring the elementary excitations of the crystal lattice, or phonons, caused by the interacting particle. This can be done by several methods including superconducting transition edge sensors.
Артық өткізгіш наножиекті бір фотоны бар детекторлар
Жоғары өткізгіштік наносымдық бір фотондық детектор (SNSPD) жоғары өткізгіштік температурасынан әлдеқайда төмен температураға дейін салқындатылған және жоғары өткізгіштік сынып тогына жуық, бірақ одан кем DC тогымен бейімделген жоғары өткізгіштік сымға негізделген. SNSPD әдетте ≈ 5 нм қалыңдықтағы ниобий нитридті қабықшалардан жасалады, олар тар наносымдар түрінде өрнектелген (әдетте 100 нм енімен). Фотонды сіңіру Купер жұптарын бұзады және сынып тогын бейімделген токтан төмендетеді. Наносымның ені бойындағы шағын, өткізгіштік емес бөлік пайда болады. Бұл кедергілі, өткізгіштік емес бөлік шамамен 1 наносекундқа созылатын анықтамалы кернеу импульсіне әкеледі. Осы типтегі фотондық детекторлардың басты артықшылықтары – оның жоғары жылдамдығы (максималды санау жиілігі 2 ГГц оларды ең жылдам етеді) және төмен қара санау жиілігі. Басты кемшілігі – энергияны ішкі түрде ажырату мүмкіндігінің болмауы.
The superconducting nanowire single photon detector (SNSPD) is based on a superconducting wire cooled well below the superconducting transition temperature and biased with a dc current that is close to but less than the superconducting critical current. The SNSPD is typically made from ≈ 5 nm thick niobium nitride films which are patterned as narrow nanowires (with a typical width of 100 nm). Absorption of a photon breaks Cooper pairs and reduces the critical current below the bias current. A small non superconducting section across the width of the nanowire is formed. This resistive non superconducting section then leads to a detectable voltage pulse of a duration of about 1 nanosecond. The main advantages of this type of photon detector are its high speed (a maximal count rate of 2 GHz makes them the fastest available) and its low dark count rate. The main disadvantage is the lack of intrinsic energy resolution.
Ротон детекторлары
4He суперфлюидінде элементарлық ұжымдық қозғыштар фонондар мен ротондар болып табылады. Бұл суперфлюидте электронға немесе ядроға шабуыл жасаған бөлшек ротондарды тудыруы мүмкін, оларды болометриялық түрде немесе олар еркін бетке жеткенде гелий атомдарының булануы арқылы анықтауға болады. 4He табиғаты бойынша өте таза болғандықтан, ротондар баллистикалық түрде қозғалады және тұрақты болады, осылайша сұйықтықтың үлкен көлемін пайдалануға мүмкіндік туады.
In superfluid 4He the elementary collective excitations are phonons and rotons. A particle striking an electron or nucleus in this superfluid can produce rotons, which may be detected bolometrically or by the evaporation of helium atoms when they reach a free surface. 4He is intrinsically very pure so the rotons travel ballistically and are stable, so that large volumes of fluid can be used.