PDF《超导光子》

超导光子 探测器 PB05203007 王丁杰 引言 ? 光是人类探索自然的主要手段 ? 随着人类的探测对象向着宏观和微观两方面 发展,探测量越来越小,对探测精度和灵敏 度的要求不断提高 ? 在有些场合下,甚至要求对单一光子进行探 测 现在最常见的感光 元件有CCD(右图) 和CMOS(下图) ? 现有感光元件有灵敏度不高的通病,特别 对于某些特定场所更是如此,比如天文观 测,经常一张照片暴光几小时,即使是 Hubble也是如此.

此图为Spitzer所摄 (天鹰座) 超导光子探测器基本原理 超导材料在从正常态向超导态转变时,有一 个"阶梯",既电阻率的突变. 如右图,为Sn在不同 纯度下的R/T曲线, 可见电阻的突变, 其中1曲线是在高纯 单晶状态下.突变段的 宽度Tc ≈1*10^(-3)K ? 当一个光子打中处于此状态下的超导体的 时候,超导体的温度会略有升高,此时超 导体的电阻就会有一定的变化,这样就以 电阻变化的形式体现出光子的影响.这就 是超导光子探测器的基本原理 ? 综上所述,可以设计一种光子探测器,其 主要感光元件工作于临界温度Tc 上,通过 探测光子能量引起的温度变化导致的电阻 变化来探测光子 基本设计 ? 该装置的电路相当简单,如图: 其中探测器的核心部分是处于临界状态下的超导薄膜 推导过程 ? 为了方便讨论.下面我选择Sn为工作物质来讨 论. ? 由于该探测器工作在临界状态下,以电阻为 处为工作点.R-T曲线可以近似的用直线

2 / ) ( * / *

2 Rc Tc T Tc Rc R + ? Δ = 来描述.

2 / Rc ? Sn的热容-温度图如下图: ? 由图可见,Sn的热容在临界温度处也发生突 变,类似的可用直线

2 / ) ( ) ( * / ) ( *

2 Cs Cn Tc T Tc Cs Cn C + + ? Δ ? = 来描述 一频率为ν 的光子打上感光平面,提供能量 ε=h*ν 于是有 ∫ Δ + = T Tc Tc CdT ε 由前面所设,代入上方程,可以解出超导薄膜 升高温度 Tc Cs Cn Tc Cs Cn Cn Cs Cn Cs T Δ ? Δ ? + + + + ? = Δ / ) (

2 * / ) (

2 2

4 / ) (

2 / ) (

2 ε 所以可得电阻变化量为 T Tc Rc R Δ Δ = Δ * /

2 在无信号时,工作电流为 c R U I

2 0= 有信号时,电流变化量为

2 / * )

2 / ( * c c R R R R U I Δ + Δ = Δ 现取超导薄膜尺寸为50μm*50μm*1μm Tc=3.72K;

取ΔTc=1*10^(-3)K;

ρc=5*10^(-5)Ωm Cn mol=2*10^(-5)J/molK Cs mol=3*10^(-5)J/molK;

ρ=4*10^3kg/

3 m 当一个波长为500nm的光子打到探测器上 ΔT=0.114*10^(-3)K;

ΔR=8.04Ω ΔR/R≈16% 输出信号的电压(电流)改变量 前面给出了电阻的改变量,这并非直接探测 量.结果应用电压或电流变化量体现出来. 由于超导薄膜处于散热和释放焦耳热的平衡 状态,所以,可以通过降低外界温度、提高 电源电压的方法来提高正常工作电流和电流 改变量,以利于探测. 但是同时应注意到,当温差相当大时,超导薄膜内 部也存在一定的温度差,此时会使前面的讨论全部 失效.所以温差不应取太大.现在的电压探测器可 精密探测 的电压,而工作电 压和电压改变量都在 ,完全满足 此处要求. 前面所得电阻的改变量是非常显著的,毫无疑 问此探测器可以达到预期效果,测量单个光子. V )

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10 ~ )

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10 ? ? V )

6 ( ^

10 ~ )

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10 ? ? 过程中的假设 应该注意到,在讨论过程中,有不少地方进 行了假设. 1.R-T曲线和C-T曲线 2.假设超导薄膜的传输性质与普通超导体相同. 3.假设电流在超导薄膜中均匀分布. 对第2个问题来说: 超导体的 London穿透深度 λL 在T=0K时在500埃左右 ,在T接近Tc时λL迅速升高. 该超导薄膜的尺寸的最小维也有1μm , 远 大于500埃 .故可以近似的认为此超导薄膜 的传输特性与普通超导体无异. 对第3个问题来说: 由London方程组 s s j e n m B * ? ? =