Введение

Криогенные детекторы частиц работают при очень низкой температуре, как правило, всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Эти датчики взаимодействуют с энергичной элементарной частицей (например, с фотоном) и выдают сигнал, который можно соотнести с типом частицы и природой взаимодействия. Хотя многие типы детекторов частиц могут демонстрировать улучшенные характеристики при криогенных температурах, этот термин обычно относится к тем типам, которые используют особые эффекты или свойства, проявляющиеся только при низких температурах.

Введение

Наиболее часто упоминаемой причиной эксплуатации любого датчика при низкой температуре является снижение теплового шума, который пропорционален квадратному корню абсолютной температуры. Однако при очень низких температурах определенные свойства материалов становятся крайне чувствительными к энергии, передаваемой частицами при их прохождении через датчик, и выигрыш от этих изменений может быть даже больше, чем от снижения теплового шума. Два таких широко используемых свойства – теплоемкость и электрическое сопротивление, в особенности сверхпроводимость; другие конструкции основаны на сверхпроводящих туннельных переходах, захвате квазичастиц, ротонах в сверхтекучих жидкостях, магнитных болометрах и других принципах. Изначально развитие криогенных детекторов для оптического и инфракрасного излучения было стимулировано астрономией. Впоследствии физика частиц и космология послужили мотивацией для разработки криогенных детекторов, предназначенных для регистрации известных и предсказанных частиц, таких как нейтрино, аксионы и слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP).

Калориметрическое обнаружение частиц

Калориметр – это устройство, измеряющее количество тепла, поглощаемого образцом материала. Калориметр отличается от болиметра тем, что калориметр измеряет энергию, а болиметр – мощность. Ниже температуры Дебая кристаллического диэлектрика (например, кремния), теплоемкость уменьшается обратно пропорционально кубу абсолютной температуры. Она становится очень малой, что приводит к относительно большому повышению температуры образца при заданном количестве подводимого тепла. Это позволяет создавать калориметры с большим диапазоном изменения температуры при небольшом количестве подводимого тепла, например, при осаждении энергии пролетающей частицей. Повышение температуры можно измерить с помощью стандартного терморезистора, как в классическом калориметре. Как правило, для создания чувствительного детектора частиц этим методом требуются небольшие размеры образца и высокочувствительные терморезисторы. В принципе, можно использовать различные типы термометров сопротивления. Предел чувствительности к осаждению энергии определяется величиной флуктуаций сопротивления, которые, в свою очередь, обусловлены тепловыми флуктуациями. Поскольку все резисторы демонстрируют флуктуации напряжения, пропорциональные их температуре – эффект, известный как шум Джонсона – снижение температуры часто является единственным способом достижения необходимой чувствительности.

Сверхпроводящие датчики переходного края

Очень чувствительный калориметрический датчик, известный как датчик переходного края (TES), использует явление сверхпроводимости. Большинство чистых сверхпроводников демонстрируют очень резкий переход от нормального сопротивления к сверхпроводимости при определенной низкой температуре. Работа на фазовом переходе в сверхпроводящем состоянии позволяет очень небольшому изменению температуры, вызванному взаимодействием с частицей, приводить к значительному изменению сопротивления.

Сверхпроводящие туннельные соединения

Сверхпроводящий туннельный переход (STJ) состоит из двух фрагментов сверхпроводящего материала, разделенных очень тонким (~нанометровым) изолирующим слоем. Он также известен как сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник туннельный переход (SIS) и является типом перехода Джозефсона. Пары Купера могут туннелировать через изолирующий барьер, явление, известное как эффект Джозефсона. Квазичастицы также могут туннелировать через барьер, хотя ток квазичастиц подавляется при напряжениях, меньших чем удвоенная величина сверхпроводящего энергетического зазора. Фотоны, поглощенные с одной стороны STJ, разрушают пары Купера и создают квазичастицы. При приложении напряжения к переходу, квазичастицы туннелируют через него, и результирующий туннельный ток пропорционален энергии фотона. STJ также может использоваться в качестве гетеродинового детектора, используя изменение нелинейной вольт-амперной характеристики, возникающее в результате туннелирования с помощью фотонов. STJ являются наиболее чувствительными гетеродиновыми детекторами в диапазоне частот 100 ГГц – 1 ТГц и применяются для астрономических наблюдений на этих частотах.

Детроны для кинетической индуктивности

Детектор кинетической индуктивности (KID) основан на измерении изменения кинетической индуктивности, вызванного поглощением фотонов в тонкой полоске сверхпроводящего материала. Изменение индуктивности обычно измеряется как изменение резонансной частоты микроволнового резонатора, поэтому эти детекторы также известны как микроволновые детекторы кинетической индуктивности (МКИД).

Сверхпроводящие гранулы

Только сверхпроводящий переход можно использовать для непосредственного измерения нагрева, вызванного проходящей частицей. Сверхпроводящее зерно типа I в магнитном поле демонстрирует идеальный диамагнетизм и полностью исключает поле из своего объема. Если оно поддерживается немного ниже критической температуры, сверхпроводимость исчезает при нагреве излучением частиц, и поле внезапно проникает внутрь. Это изменение поля может быть зафиксировано окружающим контуром. Изменение обратимо при повторном охлаждении зерна. На практике зерна должны быть очень малыми, тщательно изготовленными и аккуратно соединенными с контуром.

Магнитные калориметры

Парамагнитные ионы редкоземельных элементов используются как датчики частиц, регистрируя перевороты спинов парамагнитных атомов, индуцированные теплом, поглощенным материалом с низкой теплоемкостью. Эти ионы служат магнитным термометром.

Обнаружение фононовых частиц

Калориметры исходят из предположения, что образец находится в тепловом равновесии или близком к нему состоянии. Однако в кристаллических материалах при очень низких температурах это не всегда верно. Значительно больше информации можно получить, измеряя элементарные возбуждения кристаллической решетки, или фононы, возникающие в результате взаимодействия с частицей. Это можно сделать различными методами, в том числе с помощью сверхпроводящих датчиков переходного края.

Сверхпроводящие нанопроволочные однофотонные детекторы

Сверхпроводящий нанопроволочный детектор одиночных фотонов (SNSPD) основан на сверхпроводящем проводе, охлажденном значительно ниже температуры сверхпроводящего перехода и запитанном постоянным током, близким к, но меньшим, чем критический ток сверхпроводника. SNSPD обычно изготавливается из нитрида ниобия толщиной около 5 нм, сформированного в виде узких нанопроводов (с типичной шириной 100 нм). Поглощение фотона разрушает куперовские пары и снижает критический ток ниже тока смещения. В поперечном сечении нанопровода формируется небольшой не-сверхпроводящий участок. Этот резистивный не-сверхпроводящий участок затем приводит к появлению обнаружимого импульса напряжения длительностью около 1 наносекунды. Основными преимуществами этого типа фотонного детектора являются его высокая скорость (максимальная частота счета 2 ГГц делает его самым быстрым из доступных) и низкая частота ложных срабатываний. Основным недостатком является отсутствие внутреннего разрешения по энергии.

Ротонные детекторы

В сверхжидком 4He элементарными коллективными возбуждениями являются фононы и ротоны. Частица, сталкивающаяся с электроном или ядром в этой сверхжидкости, может порождать ротоны, которые можно обнаружить болометрически или по испарению атомов гелия при достижении ими свободной поверхности. 4He обладает высокой степенью чистоты, поэтому ротоны распространяются баллистически и стабильны, что позволяет использовать большие объемы жидкости.