RU2321921C1 - Superconductor bolometer - Google Patents
Superconductor bolometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2321921C1 RU2321921C1 RU2006134740/28A RU2006134740A RU2321921C1 RU 2321921 C1 RU2321921 C1 RU 2321921C1 RU 2006134740/28 A RU2006134740/28 A RU 2006134740/28A RU 2006134740 A RU2006134740 A RU 2006134740A RU 2321921 C1 RU2321921 C1 RU 2321921C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- superconductor
- absorber
- gap
- electrodes
- bolometer
- Prior art date
Links
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 title claims abstract description 23
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 claims abstract description 39
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 23
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 23
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 17
- 239000006100 radiation absorber Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 6
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 5
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 6
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 12
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 6
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 230000004044 response Effects 0.000 description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 5
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 2
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 230000005457 Black-body radiation Effects 0.000 description 1
- 241000238366 Cephalopoda Species 0.000 description 1
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005679 Peltier effect Effects 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 239000002784 hot electron Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 1
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к тепловым приемникам излучения, группе болометрических приемников излучения миллиметровых и субмиллиметровых волн.The invention relates to thermal radiation detectors, a group of bolometric radiation receivers of millimeter and submillimeter waves.
Известно устройство-аналог: болометр на краю сверхпроводящего перехода [1], который представляет собой мостик из тонкой сверхпроводящей пленки, в котором происходит разогрев сверхпроводника излучением и модуляция сопротивления пленки. Температура пленки поддерживается чуть выше критической за счет пропускания постоянного тока смещения. Недостатком аналога является его инерционность (порядка миллисекунды) и невысокое быстродействие, что определяется сравнительно медленными процессами фононной релаксации.A similar device is known: a bolometer on the edge of the superconducting transition [1], which is a bridge of a thin superconducting film in which the superconductor is heated by radiation and modulation of the film resistance. The film temperature is maintained slightly above critical due to the transmission of direct current bias. The disadvantage of the analogue is its inertia (of the order of a millisecond) and low speed, which is determined by the relatively slow processes of phonon relaxation.
Известно устройство-аналог: сверхпроводящий болометр на разогреве электронов [2], который состоит из тонкого сверхпроводящего мостика, подсоединенного к электродам из нормального металла. Такие болометры применяют для измерения интенсивности и фазы излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн. Болометр представляет собой тонкую и короткую пленку сверхпроводника, в которой под действием излучения происходит изменение электронной температуры и сопротивления на резистивном участке. Его быстродействие достигает нескольких гигагерц. Недостатком аналога является перегрев пленки поглотителя выше температуры сверхпроводящего перехода, составляющей около 9 К для ниобия, что приводит к возрастанию шумов.A similar device is known: a superconducting bolometer for heating electrons [2], which consists of a thin superconducting bridge connected to electrodes of normal metal. Such bolometers are used to measure the intensity and phase of radiation of the millimeter and submillimeter wavelength ranges. A bolometer is a thin and short film of a superconductor in which, under the influence of radiation, a change in the electron temperature and resistance occurs in the resistive region. Its speed reaches several gigahertz. A disadvantage of the analogue is the overheating of the absorber film above the temperature of the superconducting transition, which is about 9 K for niobium, which leads to an increase in noise.
Известно устройство-аналог электронного охладителя: элемент Пелтье [3], состоящий из двух полупроводниковых pn переходов. Термоэлектрический эффект Пелтье состоит в поглощении или выделении тепла на спае двух различных металлов или полупроводников, когда по этим проводникам протекает электрический ток. Если Е1 и Е2 - термоэдс первого и второго спаев, то количество тепла, получаемого на спае при температуре Т(К), выражается формулой: Q=(E1-E2)·T·I. Недостатком охладителя Пелтье для криогенного болометра является сравнительно небольшое охлаждение и невозможность работать при милликельвиновых температурах, при которых в полупроводниковых переходах происходит вымерзание носителей.A device analogous to an electronic cooler is known: the Peltier element [3], which consists of two semiconductor pn junctions. The thermoelectric Peltier effect consists in the absorption or release of heat on the joint of two different metals or semiconductors when an electric current flows through these conductors. If E1 and E2 are the thermoelectric power of the first and second junctions, then the amount of heat received at the joint at a temperature T (K) is expressed by the formula: Q = (E1-E2) · T · I. The disadvantage of a Peltier cooler for a cryogenic bolometer is its relatively small cooling and the inability to operate at millikelvin temperatures, at which carriers freeze out in semiconductor junctions.
Известно устройство-прототип: болометр с Андреевским отражением [4], состоящий из мостика в виде тонкой пленки нормального металла (абсорбера), непосредственно подключенного к сверхпроводящим электродам, в котором контакт абсорбера со сверхпроводящими электродами осуществляется с Андреевским отражением электронов на границе раздела нормальный металл - сверхпроводник. Недостатком прототипа является ограничение по частоте, определяемое энергетической щелью сверхпроводника и соответствующее 70 ГГц для алюминия, а также невысокая чувствительность, насыщение от фонового излучения, достаточно большие шумы, невысокий динамический диапазон, узкий диапазон рабочих температур.A prototype device is known: a bolometer with Andreevsky reflection [4], consisting of a bridge in the form of a thin film of a normal metal (absorber) directly connected to superconducting electrodes, in which the absorber contacts superconducting electrodes with Andreev reflection of electrons at the normal metal interface - superconductor. The disadvantage of the prototype is the frequency limit determined by the energy gap of the superconductor and corresponding to 70 GHz for aluminum, as well as low sensitivity, saturation from background radiation, sufficiently large noise, low dynamic range, narrow range of operating temperatures.
Целью предлагаемого изобретения является: повышение ампер-ваттной чувствительности болометра, снижение его шумов, расширение на порядок динамического диапазона и мощности насыщения, расширение частотного диапазона более чем на порядок, многократное расширение диапазона рабочих температур.The aim of the invention is to: increase the ampere-watt sensitivity of the bolometer, reduce its noise, expand the dynamic range and saturation power by an order of magnitude, expand the frequency range by more than an order of magnitude, and repeatedly expand the range of operating temperatures.
Поставленные цели достигаются тем, чтоThe goals are achieved by the fact that
- между абсорбером и электродами, соединяющими абсорбер с источником сигнала, введены туннельные переходы типа сверхпроводник-изолятор-нормальный металл (СИН) в случае абсорбера из нормального металла или сверхпроводник-изолятор-слабый сверхпроводник (СИС*) в случае абсорбера из слабого сверхпроводника;- between the absorber and the electrodes connecting the absorber to the signal source, tunnel junctions of the superconductor-insulator-normal metal (SIN) type are introduced in the case of a normal metal absorber or superconductor-insulator-weak superconductor (SIS *) in the case of a weak superconductor absorber;
- объем поглотителя v, размер туннельных переходов S, величина задаваемого напряжения смещения U выбираются исходя из соотношений: v=(NEP)2/(20kT6), где NEP - мощность, эквивалентная шуму, k - постоянная Больцмана, Т - температура, S=Pbgeρ/(kTVgap), Pbg - мощность фонового излучения, е заряд электрона, характерная технологическая константа ρ=Rn·S - произведение нормального сопротивления Rn на площадь перехода S, Vgap - напряжение энергетической щели, U=Vgap-kT/e.is the absorber volume v, the size of the tunnel junctions S, and the value of the specified bias voltage U are selected based on the relations: v = (NEP) 2 / (20kT 6 ), where NEP is the power equivalent to noise, k is the Boltzmann constant, T is the temperature, S = P bg eρ / (kTV gap ), P bg is the background radiation power, e is the electron charge, the characteristic technological constant ρ = R n · S is the product of the normal resistance R n and the transition area S, V gap is the energy gap voltage, U = V gap -kT / e.
Согласно изобретениюAccording to the invention
- На поверхности диэлектрической подложки нанесена тонкая пленка материала поглотителя излучения, который может быть как нормальным металлом, так и слабым сверхпроводником.- A thin film of radiation absorber material is deposited on the surface of the dielectric substrate, which can be either a normal metal or a weak superconductor.
- Поглотитель (абсорбер) сформирован в виде узкого (порядка микрона и меньше) мостика длиной порядка нескольких микрон.- The absorber (absorber) is formed in the form of a narrow (of the order of microns or less) bridge with a length of the order of several microns.
- На подложку нанесены сверхпроводящие электроды, подсоединенные к абсорберу через туннельные переходы типа сверхпроводник-изолятор-нормальный металл (СИН) либо сверхпроводник-изолятор-другой сверхпроводник (СИС*) размером от субмикронных до единиц микрон.- Superconducting electrodes are applied to the substrate, connected to the absorber through tunnel junctions of the type superconductor-insulator-normal metal (SIN) or superconductor-insulator-other superconductor (SIS *) ranging in size from submicron to units of microns.
Перечень фигур графических изображенийList of figures of graphic images
Фигура 1. Схематическое изображение структуры болометра в плане и в сечении, с абсорбером 1, сверхпроводящими электродами 2, слоем туннельного барьера 3 и подложкой 4.Figure 1. Schematic diagram of the structure of the bolometer in plan and section, with the absorber 1, superconducting electrodes 2, the layer of the tunnel barrier 3 and the substrate 4.
Фигура 2. Изображение в электронном микроскопе конструкции болометра, интегрированного в двойную дипольную планарную антенну. В центре расположена полоска абсорбера длиной 10 мкм и шириной 0.2 мкм, на краях которой расположены уширения 0.3×0.6 мкм, представляющие туннельные СИН переходы.Figure 2. Image in an electron microscope of the design of a bolometer integrated into a double dipole planar antenna. In the center, there is an absorber strip with a length of 10 μm and a width of 0.2 μm, at the edges of which there are broadens of 0.3 × 0.6 μm, representing tunneling SIN junctions.
Фигура 3. Отклик болометра структуры сверхпроводник-изолятор-нормальный металл-изолятор-сверхпроводник (СИНИС) по напряжению на изменение температуры (кривая DVT) и на излучение черного тела (кривая DV249mV).Figure 3. The response of the bolometer of the superconductor-insulator-normal metal-insulator-superconductor (SINIS) structure with respect to voltage to temperature variation (DVT curve) and blackbody radiation (DV249mV curve).
Фигура 4. Электронная температура болометра под действием электронного охлаждения.Figure 4. Electronic temperature of the bolometer under the influence of electronic cooling.
Фигура 5. Пример спектра излучения, принятого сверхпроводниковым болометром.Figure 5. An example of a spectrum of radiation received by a superconducting bolometer.
ОписаниеDescription
Схематическое изображение конструкции предлагаемого устройства сверхпроводникового болометра представлено на Фиг.1. На кремниевой или другой диэлектрической подложке стандартными методами тонкопленочной технологии нанесена интегральная структура со сверхпроводниковым болометром. В центре расположена полоска поглотителя излучения (1), которая может быть выполнена как из нормального металла (меди, серебра, хрома и др. и их сплавов), так и из слабого сверхпроводника (титана, ванадия и др. и их сплавов как между собой, так и с нормальными металлами). Края полоски абсорбера подключены к сверхпроводящим электродам (2) (ниобий, алюминий и др.) через туннельные переходы (3) типа СИН (сверхпроводник-изолятор-нормальный металл) в случае нормального абсорбера либо СИС' (сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник) в случае сверхпроводящего абсорбера. В середине полоски абсорбера могут быть расположены дополнительные туннельные переходы, соединенные с дополнительными электродами, в этом случае можно разделить функции охлаждения и измерения температуры между парами электродов для изучения динамики процессов переноса тепла и для калибровки устройства.A schematic illustration of the design of the proposed device superconducting bolometer shown in Fig.1. An integrated structure with a superconducting bolometer is deposited on a silicon or other dielectric substrate by standard methods of thin-film technology. In the center there is a strip of radiation absorber (1), which can be made of both normal metal (copper, silver, chromium, etc. and their alloys), and from a weak superconductor (titanium, vanadium, etc. and their alloys both among themselves , and with normal metals). The edges of the absorber strip are connected to superconducting electrodes (2) (niobium, aluminum, etc.) through tunnel junctions (3) of the SIN type (superconductor-insulator-normal metal) in the case of a normal absorber or SIS '(superconductor-insulator-superconductor) in the case superconducting absorber. In the middle of the absorber strip, additional tunnel junctions can be located connected to additional electrodes, in this case, the cooling and temperature measurement functions can be divided between the pairs of electrodes to study the dynamics of heat transfer processes and to calibrate the device.
Мощность, эквивалентная шуму (МЭШ, noise equivalent power, NEP) в термодинамическом пределе, определяется электрон-фононным взаимодействием и описывается формулойNoise equivalent power (NEP) in the thermodynamic limit is determined by the electron-phonon interaction and is described by the formula
где G=5ΣνT4 - тепловая проводимость, Σ - постоянная материала, ν - объем абсорбера, Т - температура. Для снижения МЭШ следует уменьшать объем абсорбера, но при этом его длина l не должна быть меньше длины электрон-электронного взаимодействия lee и не должна быть больше длины электрон-фононного взаимодействия lер, т.е.where G = 5ΣνT 4 is the thermal conductivity, Σ is the constant of the material, ν is the volume of the absorber, and T is the temperature. To reduce the MES, the absorber volume should be reduced, but its length l should not be less than the length of the electron-electron interaction l ee and should not be more than the length of the electron-phonon interaction l ep , i.e.
Для медного абсорбера длиной 10 мкм, шириной 0.2 мкм и толщиной 50 нм при температуре 100 мК получим МЭШ=1.3·10-18 Вт/Гц1/2.For a copper absorber with a length of 10 μm, a width of 0.2 μm, and a thickness of 50 nm at a temperature of 100 mK, we obtain MES = 1.3 · 10 -18 W / Hz 1/2 .
Крайние СИН переходы болометра подключены к сверхпроводящим электродам, которые в свою очередь подключены к планарной антенне. На Фиг.2 такие элементы антенны расположены сверху и снизу по отношению к полоске абсорбера.The extreme blue transitions of the bolometer are connected to superconducting electrodes, which in turn are connected to a planar antenna. In figure 2, such antenna elements are located above and below with respect to the strip of the absorber.
Изменение напряжения на болометре (отклик) на изменение температуры и на излучение представлены на Фиг.3. Такой отклик получен в режиме заданного тока через болометр. Для реализации электронного охлаждения и расширения динамического диапазона на предлагаемый болометр подается постоянное напряжение смещения исходя из соотношенияThe change in voltage at the bolometer (response) to changes in temperature and radiation are presented in Figure 3. Such a response was obtained in a given current mode through a bolometer. To implement electronic cooling and expand the dynamic range, a constant bias voltage is applied to the proposed bolometer based on the ratio
где Vbias - напряжение смещения, Vgap - напряжение, соответствующее энергетической щели сверхпроводящего электрода, k - постоянная Больцмана, Т - температура, е - заряд электрона.where V bias is the bias voltage, V gap is the voltage corresponding to the energy gap of the superconducting electrode, k is the Boltzmann constant, T is the temperature, e is the electron charge.
В случае режима заданного напряжения на структуре болометра при определенных значениях напряжения может происходить электронное охлаждение и снижение электронной температуры. Для такого измерения охлаждающее напряжение задается на внешних СИН переходах, а электронная температура измеряется СИН переходами, которые должны быть определенной площади для реализации охлаждения и удаления мощности внешнего фонового излучения. В оптимальном режиме каждый электрон тока смещения (I) выносит энергию kT, и максимальная выносимая мощность составляет P=kTI/e, а эффективная электронная температура определяется по уравнению теплового балансаIn the case of a mode of a given voltage on the structure of the bolometer at certain voltage values, electronic cooling and a decrease in electronic temperature can occur. For such a measurement, the cooling voltage is set on the external SIN junctions, and the electronic temperature is measured by the SIN junctions, which should be a certain area for the implementation of cooling and removal of the external background radiation power. In the optimal mode, each bias current electron (I) carries energy kT, and the maximum absorbed power is P = kTI / e, and the effective electron temperature is determined by the heat balance equation
где Tph - фононная температура, Те - электронная температура, V - напряжение постоянного смещения, Pbg=0.5hfΔf - мощность фонового излучения, Σ=3·109 Вт·м-3К-5 - постоянная материала, ν=1.8·10-19 м3 - объем абсорбера. Значение тока смещения можно оценить примерно как I=Vgap/Rn, а величина нормального сопротивления связана с характерным технологическим параметром ρ=Rn·S~100 Ом·мкм2 и площадью перехода S. В результате получим необходимую площадь СИН переходаwhere T ph is the phonon temperature, T e is the electron temperature, V is the constant bias voltage, P bg = 0.5hfΔf is the background radiation power, Σ = 3 · 10 9 W · m -3 K -5 is the material constant, ν = 1.8 · 10 -19 m 3 - the volume of the absorber. The bias current value can be estimated approximately as I = V gap / R n , and the normal resistance value is associated with the characteristic technological parameter ρ = R n · S ~ 100 Ohm · μm 2 and the transition area S. As a result, we obtain the necessary area of the SIN junction
Увеличение площади выше необходимого значения приводит к возрастанию объема абсорбера, увеличению тепловой проводимости и МЭШ.An increase in the area above the required value leads to an increase in the absorber volume, an increase in thermal conductivity, and MES.
Пример электронного охлаждения представлен на Фиг.4 для алюминия в качестве сверхпроводящего материала и меди в качестве нормального металла. В качестве примера можно взять снижение температуры с 250 до 90 мК, что приводит к удвоению температурного отклика и снижению МЭШ в 2.5 раза.An example of electron cooling is shown in FIG. 4 for aluminum as a superconducting material and copper as a normal metal. As an example, we can take a decrease in temperature from 250 to 90 mK, which leads to a doubling of the temperature response and a decrease in MES by 2.5 times.
В отличие от болометра с непосредственными (Андреевскими) контактами между сверхпроводником и нормальным металлом, в болометре с туннельными контактами нет ограничения на частоту принимаемого сигнала, тогда как Андреевский болометр ограничен частотой, соответствующей энергетической щели сверхпроводника и составляющей около 70 ГГц для алюминия. На Фиг.5 в качестве примера приведен спектральный отклик СИНИС структуры, включенной в двойную дипольную антенну, рассчитанную на 300 ГГц. Виден отклик как на основной частоте, так и на ее гармониках, вплоть до 1,8 ТГц, что значительно выше предельной частоты алюминия.Unlike a bolometer with direct (Andreevsky) contacts between a superconductor and a normal metal, in a bolometer with tunnel contacts there is no restriction on the frequency of the received signal, while the Andreevsky bolometer is limited by the frequency corresponding to the energy gap of the superconductor and is about 70 GHz for aluminum. Figure 5 shows as an example the spectral response of the SINIS structure included in a double dipole antenna, designed for 300 GHz. The response is visible both at the fundamental frequency and at its harmonics, up to 1.8 THz, which is significantly higher than the limiting frequency of aluminum.
Предлагаемое устройство функционирует следующим образом. На туннельные переходы подается напряжение постоянного смещения несколько меньше энергетической щели, что обеспечивает максимальное электронное охлаждение в материале абсорбера. Происходит снижение электронной температуры до двух раз. При этом многократно возрастает чувствительность болометра как к изменению температуры, так и к внешнему облучению (нагреву). Внешнее облучение (сигнал) малой мощности подается квазиоптическими методами на планарную антенну, которая вызывает ток сигнала через материал абсорбера и его нагрев. Изменение температуры абсорбера приводит к изменению тока через туннельные переходы, что регистрируется схемой считывания. В случае нормального металла абсорбера и оптимальных размерах туннельных переходов их сопротивление не превышает 1 кОм и в качестве устройства регистрации (считывания) может быть использован сверхпроводящий квантовый интерферометр (сквид). Если же использовать в качестве абсорбера более слабый сверхпроводник, то можно получить дифференциальное сопротивление в рабочей точке порядка сотен килоОм и в этом случае использовать усилительный каскад на полевом транзисторе. В обоих случаях удается избавиться от шумов последующего каскада и ожидать предельные характеристики болометра, определяемые термодинамическими шумами. При температуре болометра ~100 мК можно достичь мощности, эквивалентной шуму МЭШ=10-18 Вт/Гц1/2. Весьма важным свойством является возможность работать при достаточно высоком уровне внешнего фонового излучения, поскольку за счет электронного охлаждения удается избежать перегрева болометра, а перегрев сильно снижает чувствительность и увеличивает шумы. Электронное охлаждение позволяет отводить мощность фонового излучения и препятствует снижению чувствительности устройства.The proposed device operates as follows. A constant bias voltage is slightly lower than the energy gap at the tunnel junctions, which ensures maximum electronic cooling in the absorber material. There is a decrease in electron temperature up to two times. In this case, the sensitivity of the bolometer both to a change in temperature and to external radiation (heating) increases many times. External radiation (signal) of low power is supplied by quasi-optical methods to a planar antenna, which causes the signal current through the material of the absorber and its heating. A change in the temperature of the absorber leads to a change in the current through the tunnel junctions, which is recorded by the readout circuit. In the case of a normal absorber metal and optimal sizes of tunnel junctions, their resistance does not exceed 1 kΩ and a superconducting quantum interferometer (SQUID) can be used as a recording (reading) device. If a weaker superconductor is used as an absorber, then it is possible to obtain a differential resistance at the operating point of the order of hundreds of kilo Ohms, and in this case, use an amplifier stage on a field-effect transistor. In both cases, it is possible to get rid of the noise of the subsequent cascade and to expect the limiting characteristics of the bolometer, determined by thermodynamic noise. At a bolometer temperature of ~ 100 mK, it is possible to achieve a power equivalent to MES noise = 10 -18 W / Hz 1/2 . A very important property is the ability to work at a sufficiently high level of external background radiation, since due to electronic cooling it is possible to avoid overheating of the bolometer, and overheating greatly reduces sensitivity and increases noise. Electronic cooling allows you to divert the power of background radiation and prevents the sensitivity of the device from decreasing.
Примеры реализации представлены на Фиг.2. Структура напылена методом термического испарения на кремниевую подложку. В центре нанесена полоска абсорбера, которая подключена к двум сверхпроводящим электродам. Электроды, в свою очередь, включены в центре планарной антенны, нанесенной на той же подложке и выполненной из нормального металла с высокой проводимостью, например из золота. В качестве нормального металла использована медь, в качестве сверхпроводника использован алюминий. Длина полоски абсорбера составляет 12 мкм, ширина 0.2 мкм. Размеры туннельных переходов составляли 0.2×0.2 мкм2 для внутренних и 0.2×0.6 мкм2 для внешних СИН переходов. Напряжение смещения в оптимуме на Фиг.4 составляет около 400 мкВ. Электронное охлаждение позволяет снизить температуру с 260 до 100 мК.Examples of implementation are presented in figure 2. The structure is sprayed by thermal evaporation onto a silicon substrate. An absorber strip is applied in the center, which is connected to two superconducting electrodes. The electrodes, in turn, are included in the center of a planar antenna deposited on the same substrate and made of normal metal with high conductivity, for example, gold. Copper was used as a normal metal, and aluminum was used as a superconductor. The length of the absorber strip is 12 μm, the width is 0.2 μm. The dimensions of the tunnel junctions were 0.2 × 0.2 μm 2 for internal and 0.2 × 0.6 μm 2 for external SIN junctions. The bias voltage at optimum in FIG. 4 is about 400 μV. Electronic cooling reduces the temperature from 260 to 100 mK.
ЛитератураLiterature
1. Г.А.Зайцев, В.П.Коротков, И.А.Хребтов. Сверхпроводящий болометр, SU 622367 А от 02.02.1977.1. G.A. Zaitsev, V.P. Korotkov, I.A. Khrebtov. Superconducting bolometer, SU 622367 A from 02.02.1977.
2. Б.М.Воронов, Е.М.Гершензон, Г.Н.Гольцман, В.Н.Федорец, В.И.Федосов. Сверхпроводниковый электронный болометр. Патент SU 1597055 А1 от 11.04.1989.2. B. M. Voronov, E. M. Gershenzon, G. N. Goltsman, V. N. Fedorets, V. I. Fedosov. Superconducting electronic bolometer. Patent SU 1597055 A1 dated 04/11/1989.
3. Физический энциклопедический словарь. М., Сов. Энциклопедия, 1983.3. Physical encyclopedic dictionary. M., Sov. Encyclopedia, 1983.
4. А.Выставкин, Д.Шуваев, Л.Кузьмин, М.Тарасов и др. Болометр на горячих электронах в нормальном металле с Андреевским отражением в сверхпроводящих берегах. ЖЭТФ, 1999, т.115, вып.3, стр.1085-1092.4. A. Vystavkin, D. Shuvaev, L. Kuzmin, M. Tarasov and others. A hot electron bolometer in a normal metal with Andreev reflection in superconducting shores. ZHETF, 1999, vol. 115, issue 3, pp. 1085-1092.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006134740/28A RU2321921C1 (en) | 2006-10-03 | 2006-10-03 | Superconductor bolometer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006134740/28A RU2321921C1 (en) | 2006-10-03 | 2006-10-03 | Superconductor bolometer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2321921C1 true RU2321921C1 (en) | 2008-04-10 |
Family
ID=39366858
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006134740/28A RU2321921C1 (en) | 2006-10-03 | 2006-10-03 | Superconductor bolometer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2321921C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2447453C1 (en) * | 2010-11-19 | 2012-04-10 | Учреждение Российской академии наук Институт энергетических проблем химической физики РАН | Thin-film heat sensor having waveguide input for measuring power of pulsed microwave radiation |
| RU2757756C1 (en) * | 2021-04-20 | 2021-10-21 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Superconducting source of thermodynamic noise |
| RU2825716C1 (en) * | 2023-12-15 | 2024-08-28 | Николай Дмитриевич Жуков | Single-photon quantum bolometer |
-
2006
- 2006-10-03 RU RU2006134740/28A patent/RU2321921C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| А.Выставкин и др. Болометр на горячих электронах в нормальном металле с Андреевским отражением в сверхпроводящих берегах. - ЖЭТФ, 1999, т.115, вып.3, с.1085-1092. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2447453C1 (en) * | 2010-11-19 | 2012-04-10 | Учреждение Российской академии наук Институт энергетических проблем химической физики РАН | Thin-film heat sensor having waveguide input for measuring power of pulsed microwave radiation |
| RU2757756C1 (en) * | 2021-04-20 | 2021-10-21 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Superconducting source of thermodynamic noise |
| RU2825716C1 (en) * | 2023-12-15 | 2024-08-28 | Николай Дмитриевич Жуков | Single-photon quantum bolometer |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Sizov et al. | THz detectors | |
| Nahum et al. | Ultrasensitive‐hot‐electron microbolometer | |
| Kruse | Principles of uncooled infrared focal plane arrays | |
| Cherednichenko et al. | A room temperature bolometer for terahertz coherent and incoherent detection | |
| Hammar et al. | Terahertz Direct Detection in ${\hbox {YBa}} _ {2}{\hbox {Cu}} _ {3}{\hbox {O}} _ {7} $ Microbolometers | |
| Mahashabde et al. | A frequency selective surface based focal plane receiver for the OLIMPO balloon-borne telescope | |
| Schmidt et al. | A superconductor–insulator–normal metal bolometer with microwave readout suitable for large-format arrays | |
| US20030222217A1 (en) | Superconducting antenna-coupled hot-spot microbolometer, methods for its manufacture and use, and a bolometric imaging arrangement | |
| Sizov et al. | Millimeter-wave hybrid un-cooled narrow-gap hot-carrier and Schottky diodes direct detectors | |
| Karasik et al. | THz hot-electron photon counter | |
| Dong et al. | Fabrication and characterization of integrated uncooled infrared sensor arrays using a-Si thin-film transistors as active elements | |
| RU2321921C1 (en) | Superconductor bolometer | |
| Scheuring et al. | Thin Pr–Ba–Cu–O film antenna-coupled THz bolometers for room temperature operation | |
| Shitov et al. | Progress in development of the superconducting bolometer with microwave bias and readout | |
| Kuzmin et al. | TES Bolometers With High-Frequency Readout Circuit | |
| Tarasov et al. | Electrical and optical properties of a bolometer with a suspended absorber and tunneling-current thermometers | |
| Brien et al. | A strained silicon cold electron bolometer using Schottky contacts | |
| CN109297608B (en) | Microcell thermal agitation Bidirectional locking detection method based on strontium titanate doping base oxide | |
| Lee et al. | Uncooled thermopile infrared detector with chromium oxide absorption layer | |
| Stevens | Radiation thermopiles | |
| Karasik et al. | Experimental study of superconducting hot-electron sensors for submm astronomy | |
| Ravindra | Microbolometers: Fundamentals, Materials, and Recent Developments | |
| Rogalski | Terahertz detectors | |
| JPS5810874A (en) | Thermocouple element | |
| Jiang et al. | The design of a bowtie antenna for 0.65 thz detection |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171004 |