Матрицы планарных кольцевых антенн с СИНИС-болометрами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат наук Чекушкин Артем Михайлович

• Чекушкин Артем Михайлович
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Чекушкин Артем Михайлович

Введение

Глава 1. Криогенные детекторы и приемные системы

1.1 Криогенные детекторы

1.1.1 Детектор на основе сверхпроводящего туннельного перехода

1.1.2 Детектор на кинетической индуктивности

1.1.3 Болометр на краю сверхпроводящего перехода

1.1.4 Болометры на основе СИН-переходов

1.2 Основные характеристики и свойства СИН-болометров

1.2.1 Эффект горячих электронов

1.2.2 Обратная электротермическая связь

1.2.3 Ток в СИН-переходе

1.2.4 Уравнение теплового баланса

1.2.5 Шумы

1.2.6 Чувствительность

1.3 Матрицы СИНИС-болометров

1.4 Приемные системы

1.4.1 Дипольная антенна

1.4.2 Кольцевая антенна

1.4.3 Круглый волновод

Выводы по главе

Глава 2. Расчет приемных структур

2.1. Частотно селективная поверхность

2.1.1. Фильтры на основе ЧСП

2.1.2. Разработка конструкции полоснопропускающего фильтра на основе ЧСП для частоты 345 ГГЦ

2.1.3.Теоретический расчет для шаблона на 350 ГГц (основанный на проведенных экспериментах)

2.2 Разработка конструкции перестраиваемого сеточного фильтра

2.3. Матрицы кольцевых антенн

2.3.1. Моделирование диаграммы направленности кольцевой антенны

2.4 Расчет СИНИС-болометров

2.5 Расчет матрицы кольцевых антенн с СИНИС-болометрами

2.5.1 Исследование расположения образца

2.6 Метаматериал в виде матрицы кольцевых антенн

Выводы по главе

Глава 3. Технология изготовления и измерительные установки

3.1 Топология образцов (вариации антенн, СИН-переходы)

3.2 Технология изготовления

3.2.1 Процесс изготовления контактных площадок и кольцевых антенн

3.2.2 Формирование слоя СИНИС-болометров

3.2.3 Литография

3.2.4 Напыление пленок

3.3 Описание измерительного оборудования

3.3.1 Гауссовый оптический тракт

3.3.3 ИеНох

3.3.4 3Ие -криостат-вставка в рефрижератор с импульсной трубой

3.3.5 Чернотельный излучатель

3.4 Измерения

Выводы по главе

Глава 4. Экспериментальные результаты

4.1 Полосно-пропускающие фильтры

4.2 Измерение перестраиваемого сеточного фильтра

4.3 Измерение матриц СИНИС-болометров

4.4 Измерение отклика на внешнее электромагнитное излучение

4.5 Измерения образцов в виде метаматериала с интегрированными в них СИНИС-болометрами

4.6 Измерение спектрального отклика

Выводы по 4 главе

Заключение

Литература

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Матрицы планарных кольцевых антенн с СИНИС-болометрами»

Актуальность работы

В настоящее время для различных задач, направленных на исследование реликтового излучения Вселенной таких как Миллиметрон [1], BOOMERANG [2], OLIMPO [3,4], LSPE [5], БТА [6], APEX [7], СУФФА, необходимы чувствительные приемные системы с широким динамическим диапазоном, способные работать при высокой фоновой мощности (порядка 5-80 пВт). Проведение радиоастрономических наблюдений с поверхности Земли ограничивается существенным поглощением терагерцового излучения в атмосфере, в основном парами воды. По этой причине радиотелескопы субмиллиметрового (субмм) и миллиметрового (мм) диапазонов располагаются на значительной высоте или устанавливаются на борту высотных зондов, исследовательских самолетов и спутников. В связи с этим, актуальной задачей является создание компактных и высокочувствительных детекторов в мм и субмм диапазонах длин волн. Оптимальными приемными системами для подобных телескопов, с точки зрения достижения предельной чувствительности, являются матрицы антенн с криогенными детекторами. Требования, применяемые к подобным системам довольно противоречивы: с одной стороны, необходима предельно высокая чувствительность на уровне не хуже 10-16 Вт/Гц1/2 для наземных, и еще на два порядка выше для космических телескопов, с другой стороны нужен широкий динамический диапазон, поскольку уровень фонового излучения атмосферы (для наземных телескопов) может составлять десятки пиковатт в диапазоне 0.8 мм. Для повышения мощности насыщения используются матрицы таких детекторов, интегрированных в антенны. В качестве прототипа подобных приемных устройств может служить матрица кольцевых антенн с болометрами типа Сверхпроводник-Изолятор-Нормальный металл-Изолятор-Сверхпроводник (СИНИС). СИНИС-болометры обладают набором свойств, делающими их перспективными для таких приложений: переходы сверхпроводник-

изолятор-нормальный металл, изготовленные методом прямой электронной

Л

литографии, могут иметь площадь меньше 1 мкм , а объем абсорбера может

-5

быть порядка 0.04 мкм , и в этом случае СИНИС-болометр обладает высокой чувствительностью, а расширения динамического диапазона можно достичь, используя матрицу подобных элементов. Степень разработанности

Аналогами по области применения матриц кольцевых антенн с СИНИС-болометрами можно назвать детектор (болометр) на краю сверхпроводящего перехода (БКП, в англоязычной литературе TES), а так же детектор на кинетической индуктивности (KID). Каждый из них обладает своими преимуществами и недостатками. Быстродействие БКП обычно составляет несколько миллисекунд. Однако, как и у СИНИС-болометра, оно может достигать порядка 1-2 мкс. В БКП это происходит за счет реализации отрицательной обратной термоэлектронной связи, но при этом происходит снижение чувствительности БКП. В СИНИС-болометрах подобного

17

снижения нет, что позволяет достигать чувствительность на уровне 10- -1018 1/2

18 Вт/Гц . Если проводить сравнение с KID, то в них сильную проблему в предельную чувствительность детектора вносит генерационно-рекомбинационный шум, возникающий в малом объеме сверхпроводника после абсорбции в нем фотона. В СИНИС-болометре используется полоска нормального металла, поэтому подобной проблемы нет, а большой объем сверхпроводника позволяет избежать высокого уровня шума в сверхпроводящем электроде. Более подробно свойства и характеристики криогенных детекторов и их сравнение представлено в Главе 1. Цель настоящей диссертационной работы:

решение проблемы насыщения болометрических детекторов в условиях их использования на радиотелескопах, баллонных аэростатах и космических миссиях, а также улучшение сигнальных характеристик. Для достижения этой цели решались следующие основные задачи:

1) Разработка, изготовление, исследование перестраиваемого криогенного сеточного фильтра, по типу интерферометра Фабри-Перо, а также тонкопленочных фильтров для проведения измерений.

2) Оптимизация существующей технологии изготовления образцов.

3) Разработка матриц планарных кольцевых антенн мм и субмм диапазонов с интегрированными СИНИС-болометрами, которые обладают высокой чувствительностью, низкой мощностью эквивалентной шуму (МЭШ) и широким динамическим диапазоном для применения в радиоастрономии.

4) Исследование физических свойств структур, обозначенных выше, с целью улучшения шумовых и сигнальных характеристик.

5) Исследование вольт-ваттных, ампер-ваттных характеристик разрабатываемых структур на внешнее электромагнитное излучение.

6) Измерение спектральных характеристик матриц кольцевых антенн: стандартного размера (порядка длины волны), и существенного меньшего размера (типа метаматериалов).

Научная новизна

Применение СИНИС-болометров, интегрированных с матрицей планарных кольцевых антенн, позволяет при высокой чувствительности к внешнему электромагнитному излучению мм и суб-мм диапазона, повысить мощность насыщения и быстродействие по сравнению с традиционными болометрами на краю сверхпроводящего перехода и охлаждаемыми полупроводниковыми болометрами.

Представлена новая концепция матриц кольцевых антенн типа метаматериала, в которую интегрированы СИНИС-болометры. Использование кольцевых антенн, существенно меньшего размера, чем длина волны, позволяет значительно повысить плотность компоновки СИНИС-болометров, улучшив чувствительность и повысив мощность насыщения приемной системы.

Произведены изменения в технологии изготовления, которые позволили уменьшить число технологических циклов и улучшить качество СИНИС-болометров.

Теоретическая и практическая ценность работы

Разработанные, изготовленные и измеренные приемные матрицы планарных кольцевых антенн, с интегрированными СИНИС-болометрами, могут быть прототипом приемника для проведения измерений на радиотелескопах.

Разработанный, изготовленный и измеренный криогенный спектральный фильтр может быть использован для проведения спектрального анализа с помощью матриц планарных кольцевых антенн с интегрированными СИНИС-болометрами на наземных телескопах или аэростатных миссиях.

Разработанные матрицы кольцевых антенн с характерным размером существенно меньше, чем длина волны, позволят повысить плотность компоновки СИНИС болометров, что увеличит допустимую приемную мощность.

Методология и методы исследования

Для изучения созданных матриц планарных кольцевых антенн с СИНИС-болометрами было собрано несколько измерительных стендов:

1) для проведения измерений при комнатной температуре использовалась коммутирующая плата с малошумящими операционными усилителями с платой ЦАП-АЦП для управления с ПК.

2) для проведения измерений при низких температурах использовались два разных криостата (с минимальными температурами 100 мК и 270 мК), с коммутирующей платой с усилителями, расположенной при комнатной температуре, и плата ЦАП-АЦП для управления с ПК.

Для оптических измерений были рассчитаны и изготовлены сеточные полосно-пропускающие фильтры диапазона 250-400 ГГц. Для измерений спектрального отклика в качестве источника излучения использован

просвечивающий ЛОВ-спектрометр в диапазоне 230-380 ГГц, с квазиоптическим гауссовым трактом.

Для улучшения точности измерений была предложена конструкция криогенного спектрометра в виде перестраиваемого фильтра. Был реализован подобный фильтр. Это позволило уменьшить влияние неоднородностей оптического тракта за счет уменьшения числа фильтров и оптических экранов. Наличие перестраиваемого фильтра внутри криостата дало возможность избавиться от влияния внеполосного излучения от измерительной комнаты.

Измерения образцов проводилось при рабочей температуре 100 мК и 300 мК в криостате. Измерения были двух типов: оптический отклик матриц планарных кольцевых антенн с СИНИС-болометрами на различную температуру черного тела (ЧТ) и спектральный отклик на внешнее электромагнитное излучение от лампы обратной волны (ЛОВ). Для криогенных экспериментов использовался криостат Heliox фирмы Oxford Instruments с импульсной трубой в качестве первой ступени охлаждения и откачкой паров He3 (дает температуру 273 мК), а также криостат растворения, созданный В.С.Эдельманом в институте физических проблем им. П.Л.Капицы (достижимая температура 100 мк).

Положения, выносимые на защиту: Основные результаты диссертационной работы:

1) Разработаны, изготовлены и измерены фильтры для криогенных измерений: полоснопропускающий и перестраиваемый на основе интерферометра Фабри-Перо. Полоснопропускающие фильтры имеют полосу пропускания 10-90 ГГц и ослабление вне полосы порядка 10 дБ. Перестраиваемый фильтр способен работать при низких температурах и в полосе частот 100-500 ГГц с шириной полосы пропускания 4 ГГц.

2) Разработана методика изготовления матриц планарных кольцевых антенн, с интегрированными в них СИНИС-болометрами без

дополнительного слоя «тонкого золота». Это позволило улучшить теплоотвод структуры за счет более толстого слоя (200 нм против 35нм ранее) нормального металла, используемого для формирования массивов антенн.

3) Разработаны, изготовлены и экспериментально исследованы матрицы планарных кольцевых антенн с интегрированными в них СИНИС-болометрами.

4) Измерен оптический отклик матриц параллельно и последовательно соединенных антенн. Для последовательной матрицы из 25 антенн с болометрами вольт-ваттная чувствительность на излучение черного тела достигает 3 109 В/Вт; мощность насыщения превышает 5 пВт. Ампер-ваттная чувствительность для матрицы из 25 параллельно соединенных антенн с болометрами составляет 2 104 А/Вт. Исследованы спектральные характеристики различных вариантов соединения матриц планарных кольцевых антенн с СИНИС-болометрами.

5) Экспериментально измерены спектральные характеристики матриц кольцевых антенн с СИНИС-болометрами и различными конфигурациями расположения в приемном рупоре: облучение со стороны антенн, облучение со стороны кремния, а также при различных толщинах кремния (80 мкм, 280 мкм, 380 мкм)

6) Разработана, изготовлена и экспериментально исследована матрица кольцевых антенн типа метаматериалов с СИНИС-болометрами. Измерен оптический и спектральный отклик. Экспериментально получена вольтваттная чувствительность выше 109 В/Вт, динамический диапазон более 30 дБ, полоса пропускания более 100 Гц.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность полученных результатов подтверждается соответствием расчетов и различных типов экспериментов: с облучением от источника черного тела в криостате с различными фильтрами, облучением внешним

источником ЛОВ, измерениями в разных криостатах и конфигурациях, с иммерсионной линзой и встречными рупорами.

Основные результаты проведённых исследований опубликованы в 20 работах, в том числе в 10 статьях, из них 5 - в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ, в 10 докладах на международных и российских конференциях c публикацией расширенных тезисов. Работы публиковались в ведущих специализированных изданиях: Журнал Радиоэлектроники, Superconductor Science and Technology, Applied physics letters, Journal of Physics. Публикации по материалам доклада полностью отражают его содержание.

Глава 1. Криогенные детекторы и приемные системы.

Данная глава носит обзорный характер. В ней представлен краткий анализ существующих детекторов мм и субмм диапазонов и приемных систем. Описаны общие концепции, параметры и реализации спектральных детекторов. Описаны основные свойства СИН-переходов. Представлен краткий обзор требований предъявляемых к микроволновым детекторам на основе существующих космических и астрономических проектов. Проведено сравнение СИНИС-болометров с существующими сверхпроводниковыми детекторами микроволнового излучения.

1.1 Криогенные детекторы.

Современные детекторы мм и субмм диапазонов длин волн используют различные особенности, обнаруженные в сверхпроводящих материалах: резкий переход в состояние нулевого сопротивления (болометры на краю перехода, болометры на горячих электронах), разрыв куперовских пар (детектор на основе сверхпроводникового туннельного перехода), кинетическая индуктивность, туннелирование электронов (болометры на холодных электронах).

Детекторы на основе сверхпроводимости должны быть охлаждены до низких, зачастую, суб-Кельвиновых температур, поэтому они имеют заметное снижение тепловых шумов в сравнении с обычными транзисторными устройствами, работающими при комнатных температурах.

Сверхпроводящие детекторы условно можно разделить на два типа: одни зависят от тепловых процессов и другие, работающие по принципу счета носителей заряда. Первые изменяют свои ВАХ за счет изменения носителей заряда, которое возникает из-за изменения температуры. В отличие от измерения температурных изменений, последние считают квазичастицы, образующиеся вследствие воздействия фотонов на куперовские пары, приводящего к их разрыву, в сверхпроводнике. При этом

изменяется плотность тока. Такой принцип детектирования фотонов схож с ПЗС устройствами, но главным отличием от полупроводниковых детекторов является то, что ширина щели в сверхпроводнике примерно в 104 раз меньше, что позволяет детектировать фотоны с энергией в 104 раз меньше. Длинноволновый предел поглощения Х=Ьс/2Д можно варьировать на стадии проектирования болометра, используя соотношение теории БКШ 2Д=3.5кТк и подбирая сверхпроводник с соответствующей Тк или комбинируя двухслойные конструкции или сплавы.

1.1.1 Детектор на основе сверхпроводящего туннельного перехода.

Одним из наиболее ранних детекторов на основе разбиения куперовских пар можно назвать приемник на основе сверхпроводящего туннельного перехода (БТ1 [8]). Эта технология основана на СИС (сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник ) Джозефсоновском переходе [9]. Для работы в режиме однофотонного детектора используется режим задания постоянного тока. Когда фотон попадает на БТ1, он разбивает куперовские пары и генерирует квазичастицы, которые могут туннелировать через переход. Это создает туннельный ток в переходе, который пропорционален энергии пришедшего фотона. Туннельный ток состоит из двух компонент: туннелирование куперовских пар и ток квазичастиц. Первый тип называется также сверхток и описывается стационарным и нестационарным эффектами Джозефсона [10]. Второй тип возникает, в пределах нулевой темперутары, только тогда, когда смещение по напряжению достигнет значения сверхпроводящей щели. При конечной ненулевой температуре присутствует небольшой ток квазичастиц, называемый подщелевым током, который присутствует при смещении меньше, чем значение сверхпроводящей щели. Подобные детекторы имеют существенный недостаток, связанный с их изготовлением: разные БТ1 могут иметь разный уровень джозефсоновских токов. Существуют схемы считывания для массивов таких элементов, на

основе одноэлектронных транзисторов [11], но такие схемы сложны в реализации.

1.1.2 Детектор на кинетической индуктивности.

Другим типом детекторов на основе разбиения куперовских пар являются микроволновые детекторы на кинетической индуктивности. (МКГО [12], [13]). Основная идея МКГО заключается в следующем: когда фотон попадает на сверхпроводник, он генерирует квазичастицы за счет разбивания куперовской пары. При этом индуктивность пленки временно увеличивается из-за уменьшения плотности носителей заряда [14]. Кинетическая энергия, связанная с перемещением электронов при прохождении тока, имеет вид

/ п(^ту2)^ , где интеграл берется по объему проводника, п -

концентрация электронов и и - средняя их скорость. Энергия связана с движением электронов подобно тому, как она содержится в магнитном поле, таким образом, мы можем связать индуктивность с инерцией:

/у п(^ту2Ж = ^Ьк12 , 1=пеиа, (1.1)

где Ьк - кинетическая индуктивность, т и е - масса и заряд электрона, а -площадь поперечного сечения проводника [15]. В тонких пленках значения а и п можно сделать достаточно малыми, и кинетическая индуктивность станет доминирующей.

Таким образом, если реализовать ЬС контур, в котором роль Ь выполняет сверхпроводник, то попадание фотона на пленку сверхпроводника вызовет изменение Ь и, как следствие, сдвинет резонансную частоту контура. Измеряя резонансную частоту можно делать вывод о поглощенной энергии (от фотона). Качественно подобный механизм приведен на рисунке 1.1. Резонансный контур имеет емкостную связь с микрополосковой линией и считывание происходит при использовании цифровой микроволновой электроники [16]. Подобные детекторы имеют высокий Р-фактор, который

может достигать значений для оптических МКГО 106[17, 18]. Чувствительность подобных детекторов сильно зависит от размеров сверхпроводника. Чем меньше размер, тем выше чувствительность. Однако МКГО имеют ограниченный динамический диапазон. Фазовый отклик подбирается таким образом, чтобы он не превышал 1200. К недостаткам МКГО можно отнести длительное время релаксации квазичастиц, которое может составлять несколько мс [19]. МЭШ для подобных детекторов приводится на уровне 2*10-17 Вт*Гц-1/2 в работе [61] для мощности меньше 1 пВт. Для более высоких мощностей МЭШ пропорционален Р.

Рисунок 1.1 А) Фотон с энергией Ьу>2Д попадает на сверхпроводник, временно разрывает куперовскую пару, тем самым генерируя квазичастицы. Т.к. это уменьшает число заряженных носителей (Куперовских пар) в сверхпроводнике, поверхностное сопротивление также увеличивается. В) Эквивалентный контур для МКГО. С) Увеличение индуктивности сопровождается в уменьшении резонансной частоты и амплитуде сигнала на выходе. Б) Сдвиг частоты может быть также рассмотрен как фазовый сигнал, который часто легче считывать, используя цифровую электронику при комнатной температуре.

Взято с [11].

1.1.3 Болометр на краю сверхпроводящего перехода.

В детекторах основанных на изменении температуры, фотон,

попадающий на поглощающую пленку, передает энергию самой пленке и

повышает ее температуру. При аккуратном измерении изменения

температуры, произошедшей благодаря этому событию, можно вычислить

энергию пришедшего фотона. Обычно подобные детекторы работают как

калориметры и болометры. Калориметры измеряют энергию единичных

фотонов, которые часто являются высокоэнергетичными фотонами и

создают большое изменение температуры, например рентгеновские лучи (107 12

—10- м). Болометры работают с более низкоэнергетичными фотонами, в основном в субмиллиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн. В них происходит поглощение не одиночных фотонов, но всей приходящей мощности и происходит детектирование изменения температуры, которое постоянно наблюдается. На этих длинах волн детектирование одиночных фотонов обычно невыполнимо ввиду низкого отклика на сигнал.

Наиболее изученным сверхпроводящим детектором на изменении температуры является болометр на краю сверхпроводящего перехода (transition edge sensor-TES [20]) или БКП. Основным режимом работы БКП является состояние, в котором сверхпроводящая пленка находится при температуре, которая близка к переходу в нормальное состояние. Это довольно узкая область, в которой сопротивление пленки сильно чувствительно к температурным изменениям, происходящим из-за абсорбции фотона. Измеряя изменение сопротивления при переходе, БКП может быть использован и как болометр для измерения уровня пришедшей мощности при инфракрасном облучении [21], и как калориметр для измерения энергии одиночного фотона, как это было сделано в работе с рентгеновскими лучами [22]. Здесь приведены примеры использования БКП в суб-мм диапазоне для Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2 (BICEP2 [23]), the

Submillimeter Common-User Bolometer Array 2 (SCUBA-2 [24]), и KECK Polarimeter Array [25].

Обычно для считывания сигнала с БКП используется СКВИДы-сверхпроводящие квантовые интерферометры как усилители тока, которые могут быть легко согласованы по импедансу с сопротивлением БКП. Для криогенных детекторов фоновое излучение и ограниченность пространства (зачастую в криостате охлаждаемый рабочий объем не превышает 10-6 м3) являются проблемами. Из-за этого мультиплексирование БКП или считывание с нескольких БКП при комбинировании их сигнала важно и может вызывать некоторые трудности. Существует несколько типов мультиплексирования. Наиболее распространенными и простым является временная мультиплексия. В ней строки СКВИДов связанные с БКП последовательно включаются и опрашиваются. Различные столбцы СКВИДов, однако, считываются одновременно. При помощи этого метода становится возможным большой массив БКП и демонстрируется мультиплексия 256 высокоэнергитичных БКП [26]. Теоретическая чувствительность БКП рассмотрена в работе [27] и составила 3*10-7 А/Вт. В

работе [28] приводится БКП, на котором были получены МЭШ=4.2*10-19

1/2

Вт/Гц для темновых измерений. Мощность насыщения составила 3.8 фВт при температуре 30 мК. Постоянная времени составила порядка 1 мс. Здесь стоит отметить, что быстродействие БКП может достигать порядка мкс, но только при условии наличия обратной связи, что в свою очередь усложняет конструкцию детекотра.

Недостатками болометра на резистивном переходе являются необходимость сохранения высокой стабильности рабочей точки болометра -не хуже 10-5 К [29], которая решается отчасти использованием режима заданного напряжения смещения [30], и узкий динамический диапазон резистивного болометра.

1.1.4 Болометры на основе СИН-переходов.

Основная идея криогенного болометра на СИН-переходах [31] заключается в следующем: тонкая пленка абсорбера субмикронных размеров из нормального металла поглощает излучение, электронная температура абсорбера возрастает и это изменение фиксируется посредством туннельного перехода "сверхпроводник - изолятор - нормальный металл" (СИН). Туннельный ток через переход определяется «хвостом» Ферми-распределения электронного газа в нормальном металле, который экспоненциально зависит от температуры электронного газа в металле, и изменяется как ехр{-(Д—еУ)/кТе}, где Те — температура электронного газа в нормальном металле, У-напряжение смещения. Таким образом, СИН переход является хорошим термометром для измерения температуры электронного газа в металле [А10, А17, 32]. Поглощенное излучение увеличивает температуру электронного газа абсорбера, и это изменение фиксируется СИН туннельными переходами. В субмиллиметровом диапазоне характерные размеры детектора много меньше длины поглощаемой волны, поэтому необходимо использовать приемные элементы (антенны). Мощность излучения посредством планарных кольцевых антенн концентрируется и рассеивается в абсорбере, сигнал в дальнейшем усиливается и подвергается необходимой обработке.

В таких болометрах мощность излучения поглощается в абсорбере из тонкой пленки нормального металла, к которой подключены туннельные переходы типа сверхпроводник-изолятор-нормальный металл. Эти СИН-переходы выполняют функции электронного охлаждения (аналогично эффекту Пельте в полупроводниках), и на них выделяется выходной сигнал, пропорциональный изменению температуры. Максимальный отклик по току наблюдаются в области смещения немного меньше напряжения энергетической щели сверхпроводника в районе максимальной нелинейности ВАХ. Электронное охлаждение позволяет расширить динамический диапазон

за счет увеличения мощности насыщения, поскольку поглощенная мощность выносится из абсорбера охлаждающим током, но при этом может ухудшить чувствительность. Для практических применений в атмосферной радиоастрономии мощность фонового излучения зачастую оказывается выше мощности насыщения одиночного болометра структуры сверхпроводник-изолятор-нормальный металл-изолятор-сверхпроводник (СИНИС), где нормальный металл представляет пленку абсорбера, на краях которой сформированы СИН-переходы. В случае применения цепочек таких структур мощность сигнала распределяется между отдельными болометрами, чтобы принимать внешнее излучение высокой мощности.

1.2 Основные характеристики и свойства СИН-болометров.

1.2.1 Эффект горячих электронов

Электроны называют горячими электронами, когда распределение в нормальном металле может быть описано с эффективной температурой выше, чем температура решетки. Этот эффект впервые был описан в полупроводниках и был использован для создания первого детектора на горячих электронах миллиметровых и субмиллиметровых длин волн. [33,34,35]. Падающее излучение, попадающее на полупроводник, поглощается свободными носителями и повышает их температуру и подвижность. Похожий эффект можно наблюдать в металлах, включая сверхпроводники. Каждое взаимодействие фотона и электрона в металле приводит к поглощению энергии фотона с частотой V электроном, который увеличивает свою энергию на При низких температурах, электрон-фононное взаимодействие слабое и эти «горячие электроны» могут обменивать их энергию с другими электронами через электрон-электронное взаимодействие. Постоянная времени электрон-фононного взаимодействия хе-рь заметно выше, чем электрон-электронная те-е [36,37]. Например те-рь=52 нс, в то время как те-е= 16 нс для Т=2 К. Таким образом, может быть

установлено распределение электронов с повышенной эффективной температурой.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Чекушкин Артем Михайлович, 2019 год

Литература.

[1] Wild W. et al. Millimetron—a large Russian-European submillimeter space observatory //Experimental Astronomy. - 2009. - Т. 23. - №. 1. - С. 221-244.

[2] MacTavish C. J. et al. Cosmological parameters from the 2003 flight of BOOMERANG //The Astrophysical Journal. - 2006. - Т. 647. - №. 2. - С. 799.

[3] Nati F. et al. The OLIMPO experiment //New Astronomy Reviews. - 2007. - Т. 51. - №. 3-4. - С. 385-389.

[4] Masi S. et al. OLIMPO //Memorie della Societa Astronomica Italiana. - 2008. - Т. 79. - С. 887.

[5] Aiola S. et al. The large-scale polarization explorer (LSPE) //Ground-Based and Airborne Instrumentation for Astronomy IV. - International Society for Optics and Photonics, 2012. -Т. 8446. - С. 84467A.

[6] Шустов Б. М. Большие оптические телескопы будущего //Земля и Вселенная. - 2004. -№. 2. - С. 3-12.

[7] https://www.eso.org/public/about-eso/

[8] Peacock A. et al. Single optical photon detection with a superconducting tunnel junction //Nature. - 1996. - Т. 381. - №. 6578. - С. 135.

[9] Stewart W. C. Current-voltage characteristics of Josephson junctions //Applied Physics Letters. - 1968. - Т. 12. - №. 8. - С. 277-280.

[10] Shapiro S. Josephson currents in superconducting tunneling: The effect of microwaves and other observations //Physical Review Letters. - 1963. - Т. 11. - №. 2. - С. 80.

[11] Schneiderman J. F. et al. Characterization of a differential radio-frequency single-electron transistor //Applied physics letters. - 2006. - Т. 88. - №. 8. - С. 083506.

[12] Day P. K. et al. A broadband superconducting detector suitable for use in large arrays //Nature. - 2003. - Т. 425. - №. 6960. - С. 817.

[13] Zmuidzinas J. Superconducting microresonators: Physics and applications //Annu. Rev. Condens. Matter Phys. - 2012. - Т. 3. - №. 1. - С. 169-214.

[14] Mattis D. C., Bardeen J. Theory of the anomalous skin effect in normal and superconducting metals //Physical Review. - 1958. - Т. 111. - №. 2. - С. 412.

[15] Гудкайнд Д. Применения сверхпроводимости //Успехи физических наук. - 1972. -Т. 106. - №. 3. - С. 505-525.

[16] McHugh S. et al. A readout for large arrays of microwave kinetic inductance detectors //Review of Scientific Instruments. - 2012. - Т. 83. - №. 4. - С. 044702.

[17] Leduc H. G. et al. Titanium nitride films for ultrasensitive microresonator detectors //Applied Physics Letters. - 2010. - Т. 97. - №. 10. - С. 102509.

[18] Szypryt P. et al. High quality factor platinum silicide microwave kinetic inductance detectors //Applied Physics Letters. - 2016. - Т. 109. - №. 15. - С. 151102.

[19] Barends R. et al. Enhancement of quasiparticle recombination in Ta and Al superconductors by implantation of magnetic and nonmagnetic atoms //Physical Review B. -2009. - Т. 79. - №. 2. - С. 020509.

[20] Irwin K. D., Hilton G. C. Transition-edge sensors //Cryogenic particle detection. -Springer, Berlin, Heidelberg, 2005. - С. 63-150.

[21] Andrews D. H. et al. Attenuated Superconductors I. For Measuring Infra-Red Radiation //Review of Scientific Instruments. - 1942. - Т. 13. - №. 7. - С. 281-292.

[22] Irwin K. D. et al. X-ray detection using a superconducting transition-edge sensor microcalorimeter with electrothermal feedback //Applied physics letters. - 1996. - Т. 69. -№. 13. - С. 1945-1947.

[23] Ade P. A. R. et al. Detection of B-mode polarization at degree angular scales by BICEP2 //Physical Review Letters. - 2014. - Т. 112. - №. 24. - С. 241101.

[24] Holland W. S. et al. SCUBA-2: the 10 000 pixel bolometer camera on the James Clerk Maxwell Telescope //Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. - 2013. - Т. 430. - №. 4. - С. 2513-2533.

[25] Staniszewski Z. et al. The Keck Array: A Multi Camera CMB Polarimeter at the South Pole //Journal of Low Temperature Physics. - 2012. - Т. 167. - №. 5-6. - С. 827-833.

[26] Bennett D. A. et al. A high resolution gamma-ray spectrometer based on superconducting microcalorimeters //Review of Scientific Instruments. - 2012. - Т. 83. - №. 9. - С. 093113.

[27] Tiest W. B. et al. Understanding TES microcalorimeter noise and energy resolution //Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. - 2004. - Т. 520. - №. 1-3. - С. 329332.

[28] Khosropanah P. et al. Low-noise transition edge sensor (TES) for SAFARI instrument on SPICA //Millimeter, Submillimeter, and Far-Infrared Detectors and Instrumentation for Astronomy V. - International Society for Optics and Photonics, 2010. - Т. 7741. - С. 77410L.

[29] Еру И. И. Высокочувствительные системы некогерентного приема инфракрасного диапазона (современное состояние и тенденции развития) //Радиофизика и радиоастрономия. - 2006.

[30] Clarke J. et al. Superconductive bolometers for submillimeter wavelengths //Journal of Applied Physics. - 1977. - Т. 48. - №. 12. - С. 4865-4879.

[31] Clarke J., Hoffer G. I., Richards P. L. Superconducting tunnel junction bolometers //Revue de physique appliquée. - 1974. - Т. 9. - №. 1. - С. 69-71.

[32] Kuzmin L. Ultra-sensitive cryogenic thermometer based on an array of the SIN tunnel junctions //Physica C: Superconductivity. - 2008. - Т. 468. - №. 3. - С. 142-146.

[33] Conwell E. M. High Field Transport in Semiconductors, Solid State Physics Supplement 9 //New York: Academic Pres" s3 T96J. - 1967.

[34] Kinch M. A., Rollin B. V. Detection of millimetre and sub-millimetre wave radiation by free carrier absorption in a semiconductor //British Journal of Applied Physics. - 1963. - Т. 14. - №. 10. - С. 672.

[35] Phillips T. G., Jefferts K. B. A low temperature bolometer heterodyne receiver for millimeter wave astronomy //Review of Scientific Instruments. - 1973. - Т. 44. - №. 8. - С. 1009-1014.

[36] Тарасов М. А. и др. Нетепловой оптический отклик туннельных структур сверхпроводник-изолятор-нормальный металл-изолятор-сверхпроводник //Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 2014. - Т. 146. - №. 1. - С. 123-132.

[37] Tarasov M. A. et al. Quantum Efficiency of Cold Electron Bolometer Optical Response //IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. - 2015. - Т. 5. - №. 1. - С. 4448.

[38] Irwin K. D. An application of electrothermal feedback for high resolution cryogenic particle detection //Applied Physics Letters. - 1995. - Т. 66. - №. 15. - С. 1998-2000.

[39] I. Giaever, "Electron tunneling and superconductivity", Reviews of Modern Physics vol. 46, 1974.

[40] Golubev D., Kuzmin L. Nonequilibrium theory of a hot-electron bolometer with normal metal-insulator-superconductor tunnel junction //Journal of Applied Physics. - 2001. - Т. 89. - №. 11. - С. 6464-6472.

[41] Pozar D. M. Microwave engineering. - John Wiley & Sons, 2009.

[42] S. R. Golwala, J. Jochum and B. Sadoulet, Proceedings of the 7th International workshop on Low Temp. Detectors, Munich, Germany, pp.64-65, 1997.

[43] Baron T. et al. Design of metallic mesh absorbers for high bandwidth electromagnetic waves //Progress In Electromagnetics Research. - 2009. - Т. 8. - С. 135-147.

[44] R.Ulrich, Far-infrared properties of metallic mesh and its complementary structure// Infrared Physics.-1967.-vol.7.- pp.37-55.

[45] R.Ulrich, Interference filters for the far infrared// Applied Optics.-1968.- vol.7, No.10.-р.1987-1996.

[46] R.Ulrich, Preparation of grids for far infrared filters// Applied Optics.- vol.8, No.2, Р.319-322.

[47] Тарасов М.А. и др., Изготовление и характеристики сеточных полосовых фильтров в диапазоне 0.3-0.8 ТГц//Приборы и техника эксперимента. - 2009. - №. 1. - С. 85-89.

[48] Culshaw W. High resolution millimeter wave Fabry-Perot interferometer //IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 1960. - Т. 8. - №. 2. - С. 182-189.

[49] Mahashabde S. Frequency Selective Cold-electron Bolometer Arrays. - Chalmers University of Technology,PhD Thesis, 2015.

[50] Planck overview, https://esamultimedia.esa.int/docs/planck/BR275.pdf

[51] Erni R. et al. Atomic-resolution imaging with a sub-50-pm electron probe //Physical review letters. - 2009. - Т. 102. - №. 9. - С. 096101.

[52] http://www.oxford-instmments.cn/OxfordInstmments/media/nanoscience/PDFs/Heliox/Wet-Helium-3-Refrigerators-Heliox-Product-Guide.pdf

[53] Эдельман В. С. ПОГРУЖНОЙ МИКРОКРИОСТАТ РАСТВОРЕНИЯ //Приборы и техника эксперимента. - 2009. - №. 2. - С. 159-165.

[54] Тарасов М. А. и др. Нетепловой оптический отклик туннельных структур сверхпроводник-изолятор-нормальный металл-изолятор-сверхпроводник //Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 2014. - Т. 146. - №. 1. - С. 123-132.

[55] Селиверстов А. В., Тарасов М. А., Эдельман В. С. ИССЛЕДОВАНИЕ АНДРЕЕВСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ СТРУКТУР СВЕРХПРОВОДНИК-ИЗОЛЯТОР-НОРМАЛЬНЫЙ МЕТАЛЛ //Журнал экспериментальной и теоретической физики. -2017. - Т. 151. - №. 4. - С. 752-766.

[56] Feshchenko A. V. et al. Tunnel-junction thermometry down to millikelvin temperatures //Physical Review Applied. - 2015. - Т. 4. - №. 3. - С. 034001.

[57] Лемзяков С. А., Тарасов М. А., Эдельман В. С. ИССЛЕДОВАНИЕ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ СИНИС-БОЛОМЕТРА НА ЧАСТОТЕ 350 ГГц.

[58] Hekking F. W. J., Nazarov Y. V. Subgap conductivity of a superconductor-normal-metal tunnel interface //Physical Review B. - 1994. - Т. 49. - №. 10. - С. 6847.

[59] Di Marco A. et al. Leakage current of a superconductor-normal metal tunnel junction connected to a high-temperature environment //Physical Review B. - 2013. - Т. 88. - №. 17. - С. 174507.

[60] Munk B. A. Frequency selective surfaces: theory and design. - John Wiley & Sons, 2005.

[61] Flanigan D. et al. Photon noise from chaotic and coherent millimeter-wave sources measured with horn-coupled, aluminum lumped-element kinetic inductance detectors //Applied Physics Letters. - 2016. - Т. 108. - №. 8. - С. 083504.

[62] Шмидт В. В. Введение в физику сверхпроводимости //МЦ НМО, Москва. - 2000.

[63] Sayre J. T. et al. Design and characterization of 90 GHz feedhorn-coupled TES polarimeter pixels in the SPTPol camera //Millimeter, Submillimeter, and Far-Infrared Detectors and Instrumentation for Astronomy VI. - International Society for Optics and Photonics, 2012. - Т. 8452. - С. 845239.