Детектор криогенных частиц - Cryogenic particle detector

Детекторы криогенных частиц работать при очень низкой температуре, обычно всего на несколько градусов выше абсолютный ноль. Эти датчики взаимодействовать с энергичным элементарная частица (например, фотон ) и передать сигнал, который может быть связан с типом частицы и характером взаимодействия. Хотя многие типы детекторов частиц могут работать с улучшенными характеристиками при криогенный температурах, этот термин обычно относится к типам, которые используют особые эффекты или свойства, возникающие только при низкой температуре.

Вступление

Наиболее часто упоминаемой причиной эксплуатации любого датчика при низкой температуре является снижение тепловой шум, который пропорционален квадратному корню из абсолютная температура. Однако при очень низкой температуре некоторые свойства материала становятся очень чувствительными к энергии, выделяемой частицами при их прохождении через датчик, и выигрыш от этих изменений может быть даже больше, чем от уменьшения теплового шума. Два таких часто используемых свойства: теплоемкость и удельное электрическое сопротивление, особенно сверхпроводимость; другие конструкции основаны на сверхпроводящих туннельные переходы, квазичастица ловушка ротоны в сверхтекучие жидкости, магнитный болометры, и другие принципы.

Первоначально астрономия подтолкнула к разработке криогенных детекторов оптического и инфракрасного излучения.[1] Позже физика элементарных частиц и космология послужили стимулом для разработки криогенных детекторов для обнаружения известных и предсказанных частиц, таких как нейтрино, аксионы, и слабовзаимодействующие массивные частицы (WIMPs).[2][3]

Типы криогенных детекторов частиц

Калориметрическое обнаружение частиц

А калориметр это устройство, которое измеряет количество высокая температура нанесен на образец материала. Калориметр отличается от болометр в том, что калориметр измеряет энергию, а болометр измеряет мощность.

Ниже Температура Дебая кристаллического диэлектрик материал (например, кремний ) теплоемкость убывает обратно пропорционально кубу абсолютной температуры. Он становится очень маленьким, так что повышение температуры образца для данного подводимого тепла может быть относительно большим. Это делает практичным создание калориметра с очень большим температурным отклонением для небольшого количества подводимого тепла, например, выделяемого проходящей частицей. Повышение температуры можно измерить с помощью стандартного типа термистор, как в классическом калориметре. Как правило, для изготовления чувствительного детектора частиц этим методом требуются малый размер образца и очень чувствительные термисторы.

В принципе, несколько видов термометры сопротивления может быть использован. Предел чувствительности к выделению энергии определяется величиной флуктуаций сопротивления, которые, в свою очередь, определяются величиной тепловые колебания. Поскольку все резисторы проявляют колебания напряжения, пропорциональные их температуре, эффект, известный как Джонсон шум, снижение температуры часто является единственным способом достичь требуемой чувствительности.

Сверхпроводящие краевые датчики

Очень чувствительный калориметрический датчик, известный как датчик края перехода (TES) использует преимущества сверхпроводимость. Большинство чистых сверхпроводников имеют очень резкий переход от нормального удельного сопротивления к сверхпроводимости при некоторой низкой температуре. При воздействии на сверхпроводящий фазовый переход очень небольшое изменение температуры в результате взаимодействия с частицей приводит к значительному изменению сопротивления.

Сверхпроводящие туннельные переходы

В сверхпроводящий туннельный переход (STJ) состоит из двух частей сверхпроводящий материал разделен очень тонкой (~нанометр ) изоляционный слой. Он также известен как туннельный переход сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (SIS) и является разновидностью Джозефсоновский переход. Куперовские пары может туннель через изолирующий барьер, явление, известное как Эффект джозефсона. Квазичастицы может также туннелировать через барьер, хотя ток квазичастиц подавляется для напряжений, меньших чем в два раза превышающих сверхпроводящую запрещенную зону. Фотон, поглощенный одной стороной STJ, разрушает куперовские пары и создает квазичастицы. При наличии приложенного к переходу напряжения квазичастицы туннелируют через переход, и результирующий туннельный ток пропорционален энергии фотона. STJ также может использоваться как гетеродинный детектор используя изменение нелинейной вольт-амперная характеристика который возникает в результате туннелирования с помощью фотонов. STJ - самые чувствительные гетеродинные детекторы, доступные для диапазона 100 ГГц - 1.ТГц частотного диапазона и используются для астрономический наблюдение на этих частотах.

Детекторы кинетической индуктивности

В детектор кинетической индуктивности (KID) основан на измерении изменения кинетическая индуктивность вызванный поглощением фотонов в тонкой полосе сверхпроводящий материал. Изменение индуктивности обычно измеряется как изменение резонансной частоты микроволновая печь резонатор, и, следовательно, эти детекторы также известны как микроволновые детекторы кинетической индуктивности (MKID).

Сверхпроводящие гранулы

Только сверхпроводящий переход можно использовать для непосредственного измерения нагрева, вызванного проходящей частицей. Сверхпроводящее зерно I типа в магнитном поле демонстрирует идеальное диамагнетизм и полностью исключает поле из своей внутренней части. Если его поддерживать немного ниже температуры перехода, сверхпроводимость исчезает при нагревании излучением частиц, и поле внезапно проникает внутрь. Это изменение поля может быть обнаружено окружающей катушкой. Изменение обратимо, когда зерно снова остынет. На практике зерна должны быть очень маленькими, тщательно обработанными и прикрепленными к катушке.

Магнитные калориметры

Парамагнитный редкоземельный ионы используются в качестве датчиков частиц, регистрируя перевороты спина парамагнитных атомов, вызванные теплом, поглощенным материалом с низкой теплоемкостью. Ионы используются как магнитный термометр.

Другие методы

Обнаружение фононных частиц

Калориметры предполагают, что образец находится в тепловое равновесие или почти так. В кристаллических материалах при очень низкой температуре это не всегда так. Намного больше информации можно получить, измеряя элементарные возбуждения кристаллической решетки или фононы, вызванный взаимодействующей частицей. Это можно сделать несколькими способами, включая сверхпроводящие датчики края перехода.

Детекторы однофотонных сверхпроводящих нанопроволок

В однофотонный детектор на сверхпроводящей нанопроволоке (SNSPD) основан на сверхпроводящем проводе, охлаждаемом значительно ниже температуры сверхпроводящего перехода и смещенном постоянным током. Текущий это близко к сверхпроводящему критическому току, но меньше его. SNSPD обычно изготавливается из толщины ≈ 5 нм. нитрид ниобия пленки, которые имеют узор в виде узких нанопроволок (с типичной шириной 100 нм). Поглощение фотона прерывается Куперовские пары и снижает критический ток ниже тока смещения. Образуется небольшой несверхпроводящий участок по ширине нанопроволоки.[4][5] Эта резистивная несверхпроводящая секция затем приводит к обнаруживаемому импульсу напряжения длительностью около 1 наносекунды. Основными преимуществами этого типа детектора фотонов являются его высокая скорость (максимальная скорость счета 2 ГГц делает их самыми быстрыми из доступных) и низкая скорость счета в темноте. Главный недостаток - отсутствие собственного энергетического разрешения.

Детекторы ротон

В сверхтекучей 4Он элементарные коллективные возбуждения фононы и ротоны. Частица, ударяющаяся в электрон или ядро ​​в этой сверхтекучей жидкости, может производить ротоны, которые могут быть обнаружены болометрически или по испарению атомов гелия, когда они достигают свободной поверхности. 4Он по своей природе очень чистый, поэтому ротоны перемещаются баллистически и стабильны, поэтому можно использовать большие объемы жидкости.

Квазичастицы в сверхтекучей жидкости 3Он

В фазе B ниже 0,001 K сверхтекучая 3Он действует аналогично сверхпроводнику. Пары атомов связаны как квазичастицы подобны куперовским парам с очень малой запрещенной зоной порядка 100 нанометров.электронвольт. Это позволяет построить детектор, аналогичный сверхпроводящему туннельному детектору. Преимущество в том, что многие (~ 109) пары могут образоваться в результате одного взаимодействия, но трудности в том, что трудно измерить превышение нормального 3Он производил атомы, чтобы приготовить и поддерживать много сверхтекучей жидкости при такой низкой температуре.

Рекомендации

  • Тверенболд, Дамиан (декабрь 1996). «Детекторы криогенных частиц». Rep. Prog. Phys. 59 (3): 349–426. Bibcode:1996RPPh ... 59..349T. Дои:10.1088/0034-4885/59/3/002.
  • Энсс, Кристиан (редактор) (2005). Обнаружение криогенных частиц. Спрингер, Темы прикладной физики 99. ISBN  978-3-540-20113-7.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов (связь)
  1. ^ Гласс И. С. (1999). Справочник по инфракрасной астрономии. Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-63311-6.
  2. ^ Primack, J. R .; Д. Секель; Б. Садуле (декабрь 1988 г.). «Обнаружение космической темной материи». Ежегодный обзор ядерной науки и физики элементарных частиц. 38: 751–807. Bibcode:1988АРНПС..38..751П. Дои:10.1146 / annurev.ns.38.120188.003535.
  3. ^ Pretzl, K. (1988). "Поиски темной материи" (PDF). Обзоры космической науки. 130 (1–4): 63–72. Bibcode:2007ССРв..130 ... 63П. Дои:10.1007 / s11214-007-9151-0.
  4. ^ Семенов, А.Д .; ГольЦман Григорий Н .; Корнеев, Александр А. (2001). «Квантовое обнаружение токоведущей сверхпроводящей пленкой». Physica C. 351 (4): 349–356. Bibcode:2001PhyC..351..349S. Дои:10.1016 / S0921-4534 (00) 01637-3.
  5. ^ Гольцман, Г. Н .; Окунев, О .; Чулкова, Г .; Липатов, А .; Семенов, А .; Смирнов, К .; Воронов Б .; Дзарданов, А .; и другие. (2001). «Пикосекундный сверхпроводящий однофотонный оптический детектор». Письма по прикладной физике. 79 (6): 705–707. Bibcode:2001АпФЛ..79..705Г. Дои:10.1063/1.1388868.

Смотрите также