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遷移エッジセンサー( TES )は、超伝導相転移の抵抗が温度に大きく依存することを利用した極低温エネルギーセンサーまたは極低温粒子検出器の一種です。
歴史
超伝導遷移の測定可能性の最初の実証は、オンネスによる超伝導の発見から30年後の1940年代に行われました。DHアンドリュースは、赤外線信号の測定に使用した電流バイアスされたタンタル線である最初の遷移エッジボロメータを実証しました。その後、アルファ粒子の測定に使用された窒化ニオブ製の遷移エッジカロリメータを実証しました。[1]しかし、TES検出器は約50年間普及しませんでした。主な理由は、特に複数のピクセルが同時に動作している場合に狭い超伝導遷移領域内で温度を安定させることが困難であったことと、このような低インピーダンスシステムからの信号読み出しが困難であったことです。電流バイアスTESのジュール熱は熱暴走を引き起こし、検出器を通常状態（非超伝導状態）に追い込む可能性があります。この現象は正の電熱フィードバックとして知られています。熱暴走問題は、1995年にKDアーウィンによってTESに電圧バイアスをかけ、安定した負の電熱フィードバックを確立し、それらを超伝導量子干渉素子（SQUID）電流増幅器に結合することによって解決されました。[2]この画期的な進歩により、TES検出器が広く採用されるようになりました。[3]
セットアップ、操作、および読み出し
TES は、電流源Iバイアスを負荷抵抗R L を介して駆動することで電圧バイアスされます(図を参照)。電圧は、TES をいわゆる「自己バイアス領域」に置くように選択されます。この領域では、デバイスで消費される電力が印加電圧と一定になります。光子がTESに吸収されると、この余分な電力は負の電熱フィードバックによって除去されます。つまり、TES抵抗が増加して TES 電流が低下します。次にジュール電力が低下し、デバイスが自己バイアス領域の平衡状態に戻ります。一般的なSQUID読み出しシステムでは、TES は入力コイルLと直列に動作し、入力コイル L は SQUID 直列アレイに誘導結合されます。したがって、TES 電流の変化は SQUID への入力磁束の変化として現れ、その出力はさらに増幅されて室温の電子機器によって読み取られます。
機能性
ボロメトリックセンサーは、入射エネルギーの吸収体、このエネルギーを測定するための温度計、吸収されたエネルギーを放散して検出器を冷却するためのベース温度への熱リンクという3つの基本コンポーネントを採用しています。[4]
アブソーバー
最も単純な吸収方式は、近赤外、可視光、および紫外線領域で動作する TES に適用できます。これらのデバイスは一般に、入射放射線の最大 20% を吸収する独自の吸収体としてタングステンTES を使用します。 [5]高効率検出が必要な場合は、TES を、目的の動作波長に調整され、背面ミラーと前面反射防止コーティングを採用した多層光キャビティ内に製造できます。このような技術により、検出器からの透過と反射を無視できるほど低い値にまで下げることができます。95% の検出効率が観測されています。 [4]高エネルギーでは、吸収の主な障害は反射ではなく透過であるため、光子阻止能が高く熱容量の低い吸収体が望ましく、ビスマス膜がよく使用されます。[3]すべての吸収体は、 TES に対して熱容量が低くなければなりません。吸収体の熱容量が大きいとノイズが増加し、検出器の感度が低下します（吸収エネルギーが同じでもTES抵抗に大きな変化が生じないため）。ミリメートル範囲の遠赤外線の場合、吸収方式では一般的にアンテナまたはフィードホーンが使用されます。[3]
温度計
TES は、次のように温度計として動作します。吸収された入射エネルギーは、電圧バイアス センサーの遷移領域内の抵抗を増加させ、結果として生じる電流の低下の積分は、検出器によって吸収されるエネルギーに比例します。[5]出力信号は吸収体の温度変化に比例するため、感度を最大化するには、TES の熱容量が低く、遷移が狭い必要があります。熱容量だけでなく熱伝導率などの重要な TES 特性は温度に大きく依存するため、遷移温度 T cの選択はデバイス設計にとって重要です。さらに、T c は、利用可能な極低温システムに合わせて選択する必要があります。タングステンは、薄膜タングステンの 2 つの相 ( T cが約 15 mK とT cが約 1～4 K) を示すため、元素 TES の一般的な選択肢となっています。これらを組み合わせることで、デバイス全体のT c を微調整できます。[6]二重層および多層 TES は、別の一般的な製造方法で、異なる材料の薄膜を組み合わせて目的のT c を実現します。[3]
熱伝導率
最後に、TES と冷却液槽の間の熱結合を調整する必要があります。入射エネルギーが槽に直接失われるのではなく、TES によって確実に認識されるようにするには、低い熱伝導率が必要です。ただし、エネルギーが吸収された後、TES を槽の温度まで冷却する必要があるため、熱結合が弱すぎてはなりません。熱結合を制御する 2 つの方法は、電子フォノン結合と機械加工です。極低温では、材料内の電子とフォノンのシステムは弱くしか結合できません。電子フォノンの熱伝導率は温度に大きく依存するため、熱伝導率はT c を調整することで調整できます。[3] [4]他のデバイスでは、基板の穴の上またはまばらな「クモの巣」構造の中央にサブミクロンの膜上に TES を構築するなど、熱伝導率を制御する機械的手段を使用しています。[7]
利点と欠点
TES 検出器は、さまざまな理由から科学界にとって魅力的です。その最も顕著な特性には、ミリ波領域からガンマ線までの波長に合わせてカスタマイズ可能な前例のない高い検出効率[3] [4]と、理論上無視できるほど低い背景暗カウント レベル (デバイス固有の熱変動によるイベントは 1000 秒あたり 1 件未満[5] ) があります。(実際には、実際のエネルギー信号のみが電流パルスを生成しますが、カウント アルゴリズムまたは実験セットアップ内の背景光の存在によって、非ゼロの背景レベルが記録される場合があります。可視領域での使用に最適化された TES では、熱黒体放射も検出される場合があります。)
TES 単一光子検出器は、アバランシェフォトダイオード(APD) の同等の検出器と比較して、いくつかの欠点があります。APD は小さなモジュールで製造されており、数ナノ秒のデッドタイムですぐに光子をカウントし、数十ピコ秒のジッターで各光子に対応するパルスを出力します。対照的に、TES 検出器は極低温環境で動作させる必要があり、光子を識別するためにさらに分析する必要がある信号を出力し、約 100 ns のジッターがあります。[4]さらに、TES 検出器の単一光子スパイクはマイクロ秒のオーダーで続きます。
アプリケーション
TES アレイは、 SCUBA-2 、成層圏赤外線天文台の HAWC+ 装置、アタカマ宇宙論望遠鏡、極低温暗黒物質探索、次世代地中探査で見られるシグネチャを観測するための極低温観測所、超伝導温度計による極低温稀少事象探索、E および B 実験、南極点望遠鏡、スパイダー偏光計、高エネルギー天体物理学衛星向け先進望遠鏡の X-IFU 装置、将来の LiteBIRD 宇宙マイクロ波背景放射偏光実験、サイモンズ天文台、CMB ステージ IV 実験などの物理学および天文学の実験でますます一般的になりつつあります。
参照
ウィキメディア・コモンズには、遷移エッジセンサーに関連するメディアがあります。
参考文献
- ^ DH Andrews et al. , "減衰超伝導体I.赤外線測定用". Rev. Sci. Instrum. , 13 , 281 (1942), doi :10.1063/1.1770037.
- ^ KD Irwin、「高解像度極低温粒子検出のための電熱フィードバックの応用」。Appl . Phys. Lett.、66、1998（1995）、doi：10.1063/1.113674。
- ^ abcdef KD Irwin および GC Hilton、「遷移エッジセンサー」、Cryogenic Particle Detection、ed. C. Enss、Springer (2005)、doi :10.1007/10933596_3。
- ^ abcde A. Lita et al.、「95%の効率で近赤外単一光子を計数する」、Optics Express 16、3032 (2008)、doi :10.1364/OE.16.003032。
- ^ abc AJ Miller他、「多光子識別機能を備えた低ノイズ近赤外線光子カウンターの実証」、Appl. Phys. Lett.、83、791–793。(2003)、doi :10.1063/1.1596723。
- ^ A. Lita他、「光子数分解検出器の製造のためのタングステン薄膜超伝導遷移温度の調整」、IEEE Trans. Appl. Supercond.、15、3528 (2005)、doi :10.1109/TASC.2005.849033。
- ^ J. Bock他「赤外線およびミリ波天体物理学のための新しいボロメータ」、Space Science Reviews、74、229–235（1995）、doi：10.1007/BF00751274。