Sensor de transição - Transition-edge sensor
Um sensor de borda de transição ( TES ) é um tipo de sensor de energia criogênica ou detector de partículas criogênicas que explora a resistência fortemente dependente da temperatura da transição de fase supercondutora .
História
As primeiras demonstrações do potencial de medição da transição supercondutora apareceram na década de 1940, 30 anos após a descoberta da supercondutividade por Onnes . DH Andrews demonstrou o primeiro bolômetro de transição , um fio de tântalo polarizado por corrente que ele usou para medir um sinal infravermelho. Posteriormente, ele demonstrou um calorímetro de borda de transição feito de nitreto de nióbio que foi usado para medir partículas alfa . No entanto, o detector TES não ganhou popularidade por cerca de 50 anos, principalmente devido à dificuldade em estabilizar a temperatura dentro da estreita região de transição supercondutora, especialmente quando mais de um pixel foi operado ao mesmo tempo, e também devido à dificuldade de leitura de sinal de tal sistema de baixa impedância . O aquecimento de Joule em um TES polarizado por corrente pode levar a uma fuga térmica que leva o detector ao estado normal (não supercondutor), um fenômeno conhecido como feedback eletrotérmico positivo . O problema de fuga térmica foi resolvido em 1995 por KD Irwin polarizando a voltagem do TES, estabelecendo feedback eletrotérmico negativo estável e acoplando-os a amplificadores de corrente de dispositivos de interferência quântica supercondutores ( SQUID ). Essa descoberta levou à adoção generalizada de detectores TES.
Configuração, operação e leitura
O TES é por condução de uma corrente da fonte de tensão polarizada- I polarização através de uma resistência de carga R L (ver figura). A tensão é escolhida para colocar o TES em sua chamada "região autopensada", onde a potência dissipada no dispositivo é constante com a tensão aplicada. Quando um fóton é absorvido pelo TES, essa potência extra é removida por feedback eletrotérmico negativo : a resistência do TES aumenta, causando uma queda na corrente do TES; a potência de Joule, por sua vez, cai, resfriando o dispositivo de volta ao seu estado de equilíbrio na região autopensada. Em um sistema de leitura SQUID comum , o TES é operado em série com a bobina de entrada L , que é indutivamente acoplada a um array-série SQUID. Assim, uma mudança na corrente TES se manifesta como uma mudança no fluxo de entrada para o SQUID, cuja saída é posteriormente amplificada e lida por eletrônicos em temperatura ambiente.
Funcionalidade
Qualquer sensor bolométrico emprega três componentes básicos: um absorvedor de energia incidente, um termômetro para medir essa energia e um link térmico para a temperatura base para dissipar a energia absorvida e resfriar o detector.
Absorvedor
O esquema de absorção mais simples pode ser aplicado a TESs operando nos regimes de infravermelho próximo, óptico e UV. Esses dispositivos geralmente utilizam um TES de tungstênio como seu próprio absorvedor, que absorve até 20% da radiação incidente. Se a detecção de alta eficiência for desejada, o TES pode ser fabricado em uma cavidade óptica de multicamadas sintonizada para o comprimento de onda operacional desejado e empregando um espelho traseiro e revestimento anti-reflexo do lado frontal. Essas técnicas podem diminuir a transmissão e reflexão dos detectores para valores insignificantemente baixos; Foi observada uma eficiência de detecção de 95%. Em energias mais altas, o principal obstáculo à absorção é a transmissão, não a reflexão e, portanto, um absorvedor com alto poder de parada de fótons e baixa capacidade de calor é desejável; um filme de bismuto é freqüentemente empregado. Qualquer absorvedor deve ter baixa capacidade de calor em relação ao TES. Maior capacidade de calor no absorvedor contribuirá para o ruído e diminuirá a sensibilidade do detector (uma vez que uma dada energia absorvida não produzirá uma mudança tão grande na resistência TES). Para radiação IR distante na faixa de milímetros, os esquemas de absorção comumente empregam antenas ou feedhorns .
Termômetro
O TES opera como um termômetro da seguinte maneira: a energia incidente absorvida aumenta a resistência do sensor polarizado por tensão em sua região de transição, e a integral da queda resultante na corrente é proporcional à energia absorvida pelo detector. O sinal de saída é proporcional à mudança de temperatura do absorvedor e, portanto, para sensibilidade máxima, um TES deve ter baixa capacidade de calor e uma transição estreita. Propriedades importantes do TES, incluindo não apenas a capacidade de calor, mas também a condutância térmica, são fortemente dependentes da temperatura, portanto, a escolha da temperatura de transição T c é crítica para o projeto do dispositivo. Além disso, o T c deve ser escolhido para acomodar o sistema criogênico disponível . O tungstênio tem sido uma escolha popular para TESs elementares, já que o tungstênio de filme fino exibe duas fases, uma com T c ~ 15 mK e outra com T c ~ 1–4 K, que podem ser combinadas para ajustar com precisão o dispositivo geral T c . TESs bicamada e multicamada são outra abordagem de fabricação popular, onde filmes finos de diferentes materiais são combinados para atingir o T c desejado .
Condutância térmica
Por fim, é necessário sintonizar o acoplamento térmico entre o TES e o banho de líquido refrigerante; uma baixa condutância térmica é necessária para garantir que a energia incidente seja vista pelo TES em vez de ser perdida diretamente para o banho. Porém, a ligação térmica não deve ser muito fraca, pois é necessário resfriar o TES de volta à temperatura do banho após a energia ter sido absorvida. Duas abordagens para controlar a ligação térmica são por acoplamento elétron-fônon e por usinagem mecânica. Em temperaturas criogênicas, os sistemas de elétron e fônon em um material podem se tornar apenas fracamente acoplados. A condutância térmica elétron-fônon é fortemente dependente da temperatura e, portanto, a condutância térmica pode ser ajustada ajustando T c . Outros dispositivos usam meios mecânicos de controlar a condutância térmica, como construir o TES em uma membrana submicrométrica sobre um orifício no substrato ou no meio de uma estrutura esparsa de "teia de aranha".
Vantagens e desvantagens
Os detectores TES são atraentes para a comunidade científica por uma série de razões. Entre seus atributos mais marcantes estão uma alta eficiência de detecção sem precedentes personalizável para comprimentos de onda do regime de milímetro a raios gama e um nível de contagem de escuridão de fundo teórico insignificante (menos de 1 evento em 1000 s de flutuações térmicas intrínsecas do dispositivo). (Na prática, embora apenas um sinal de energia real crie um pulso de corrente, um nível de fundo diferente de zero pode ser registrado pelo algoritmo de contagem ou pela presença de luz de fundo na configuração experimental. Mesmo a radiação térmica de corpo negro pode ser vista por um TES otimizado para uso no regime visível.)
No entanto, os detectores de fóton único TES sofrem de algumas desvantagens em comparação com os fotodiodos de avalanche (APD). Os APDs são fabricados em pequenos módulos, que contam fótons fora da caixa com um tempo morto de alguns nanossegundos e emitem um pulso correspondente a cada fóton com um jitter de dezenas de picossegundos. Em contraste, os detectores TES devem ser operados em um ambiente criogênico, emitir um sinal que deve ser analisado posteriormente para identificar fótons e ter um jitter de aproximadamente 100 ns. Além disso, um pico de fóton único em um detector TES dura cerca de microssegundos.
Formulários
Matrizes TES estão se tornando cada vez mais comuns em experimentos de física e astronomia, como SCUBA-2 , o instrumento HAWC + no Observatório Estratosférico de Astronomia Infravermelha , o Telescópio de Cosmologia Atacama , a Pesquisa Criogênica de Matéria Escura , a Pesquisa Criogênica de Eventos Raros com Termômetros Supercondutores , o E e o Experimento B , o Telescópio do Pólo Sul , o polarímetro Spider , o instrumento X-IFU do satélite Advanced Telescope for High Energy Astrophysics , o futuro experimento de polarização de fundo de micro-ondas cósmico LiteBIRD , o Observatório Simons e o experimento CMB Stage-IV.