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太赫兹超导探测器的研究现状及其天文应用(4)

来源:中国光学 作者:李婧;张文;缪巍;史生
发布于:2017-06-23 共11424字
3. 2 太赫兹超导非相干探测器

       目前的发展趋势表明,超导 MKIDs 探测器技术已成为太赫兹望远镜研制宽带连续谱阵列探测成像系统的首选,阵列像元数将突破 1 k,灵敏度将达到背景极限。此外,MKIDs 探测器阵列的读出技术,也将是下一步发展的重点研究方向。
  
  超导 TES 探测器具有背景极限的灵敏度,在星系和恒星形成、宇宙微波背景辐射等领域具有重要的应用。我国拟建的南极 5 m 太赫兹望远镜,下一代设备有望安装大规模的超导阵列城像系统,要求 1 000 像元左右的超导 TES 探测器,工作在 300 mK,NEP 达到 10- 16槡W / Hz.另外超导TES 探测器阵列具有极高的灵敏度,能够被动探测成像,对人体无任何伤害,在安检领域具有广阔的前景。
  
  详细研究亚 K 临界温度的超导薄膜的生长工艺,制备超导 TES 探测器,并通过硅刻蚀工艺降低 超 导 TES 探 测 器 的 热 导,从 而 实 现10- 16槡W / Hz的探测灵敏度。研究 SQUID 电流放大器的磁通锁定和时分或者频分复用技术。结合超导 TES 探测器和多路读出复用电路,成功研制1 000 像元的超导 TES 探测器阵列成像系统,满足国内在天文、安检等领域的应用需求。
  
  另外一个关键技术是多路复用读出技术,建议针对较成熟的时分复用和频分复用展开研究。掌握多路读出复用技术的原理,设计出实现方案,分别开发常温放大反馈电路和低温放大、寻址电路,实现 1 000 像元的读出复用。
  
  通过这两方面技术的攻克,最终研制成功1 000像元的超导 TES 探测器阵列成像系统,满足近期天文、安检等领域的应用需求。
  
  4 结束语

    太赫兹波段占有宇宙微波背景( CMB) 辐射以后宇宙空间近一半的光子能量,它是宇宙中冷暗物质辐射的重要波段,河系和大多数旋涡星系有一半以上的能量是由该频段的辐射加以释放;另外,由于星际介质遮挡较弱,太赫兹波段适合观测尘埃云和分子云内部的星际介质和恒星的物理状态。因此,该波段在天文学研究中具有不可替代的作用,因此太赫兹天文学的研究,具有极其重要的科学意义。
  
  近年来,人们逐渐认识到太赫兹波段在天文学、大气科学、物理学、材料科学、生命科学、信息技术等领域的重要科学意义与潜在应用前景。但由于太赫兹技术的严重缺乏以及地球大气对太赫兹辐射的强吸收,人们对太赫兹电磁辐射特性依然知之甚少,该波段至今还是一个有待全面研究和开发的频率窗口。
  
  基于低温超导器件的探测技术是目前太赫兹频段最灵敏的探测手段,本文系统介绍了超高灵敏度太赫兹超导探测技术的发展,包括以超导隧道结混频器( SIS) 和超导热电子混频器( HEB) 为代表的太赫兹相干探测器,以及以超导动态电感探测器( MKIDs) 和超导相变边缘探测器( TES) 为代表的非相干探测器的研究。在介绍了发展现状的基础上,还展望了未来的发展趋势和方向,对今后我国太赫兹天文探测技术的发展具有一定的参考意义。
  
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原文出处:李婧,张文,缪巍,史生才. 超高灵敏度太赫兹超导探测技术发展[J]. 中国光学,2017,(01):122-130.
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