مستشعر حافة الانتقال

مستشعر حافة الانتقال ( TES ) هو نوع من مستشعرات الطاقة المبردة أو كاشف الجسيمات المبردة الذي يستغل المقاومة المعتمدة بشدة على درجة الحرارة لانتقال الطور فائق التوصيل .

تاريخ

ظهرت أولى التجارب العملية لإمكانات قياس الانتقال الفائق التوصيل في أربعينيات القرن العشرين، بعد ثلاثين عامًا من اكتشاف أونيس لهذه الظاهرة . وقد عرض د. هـ. أندروز أول مقياس إشعاع حراري لحافة الانتقال، وهو عبارة عن سلك من التنتالوم متحيز بتيار كهربائي ، استخدمه لقياس إشارة الأشعة تحت الحمراء. لاحقًا، عرض مقياسًا حراريًا لحافة الانتقال مصنوعًا من نتريد النيوبيوم، استُخدم لقياس جسيمات ألفا . ^{[ 1 ]} مع ذلك، لم يحظَ كاشف حافة الانتقال بشعبية واسعة لنحو خمسين عامًا، ويعود ذلك أساسًا إلى صعوبة تثبيت درجة الحرارة داخل منطقة الانتقال الفائق التوصيل الضيقة، خاصةً عند تشغيل أكثر من بكسل في الوقت نفسه، بالإضافة إلى صعوبة قراءة الإشارة من نظام ذي مقاومة منخفضة كهذا . يمكن أن يؤدي التسخين الجولي في كاشف حافة الانتقال المتحيز بتيار كهربائي إلى هروب حراري يدفع الكاشف إلى الحالة الطبيعية (غير فائقة التوصيل)، وهي ظاهرة تُعرف بالتغذية الراجعة الكهروحرارية الموجبة . تم حل مشكلة الهروب الحراري في عام 1995 على يد كيه دي إيروين عن طريق تطبيق جهد انحياز على كاشفات الطاقة الحرارية الكهربائية (TES)، وإنشاء تغذية راجعة كهروحرارية سالبة مستقرة ، وربطها بمضخمات التيار لأجهزة التداخل الكمومي فائقة التوصيل ( SQUID ). ^{[ 2 ]} وقد أدى هذا الإنجاز إلى انتشار استخدام كاشفات الطاقة الحرارية الكهربائية على نطاق واسع. ^{[ 3 ]}

الإعداد والتشغيل والقراءة

يتم تحيز جهاز TES بجهد كهربائي عن طريق تمرير مصدر تيار I _bias عبر مقاومة الحمل R _L (انظر الشكل). يُختار الجهد بحيث يكون جهاز TES في ما يُسمى "منطقة التحيز الذاتي"، حيث تكون الطاقة المبددة في الجهاز ثابتة مع الجهد المُطبق. عند امتصاص فوتون بواسطة جهاز TES، تُزال هذه الطاقة الزائدة عن طريق التغذية الراجعة الكهروحرارية السالبة: تزداد مقاومة جهاز TES ، مما يؤدي إلى انخفاض تياره؛ وبالتالي تنخفض طاقة جول ، مما يُبرد الجهاز ويعيده إلى حالة التوازن في منطقة التحيز الذاتي. في نظام قراءة SQUID الشائع ، يُشغل جهاز TES على التوالي مع ملف الإدخال L ، الموصول حثيًا بمصفوفة SQUID متسلسلة. وهكذا، يظهر أي تغيير في تيار جهاز TES كتغيير في التدفق الداخل إلى SQUID، والذي يُضخّم خرجه ويُقرأ بواسطة إلكترونيات تعمل في درجة حرارة الغرفة.

الوظائف

يستخدم أي مستشعر بولومتري ثلاثة مكونات أساسية: ممتص للطاقة الساقطة، ومقياس حرارة لقياس هذه الطاقة، ووصلة حرارية لدرجة الحرارة الأساسية لتبديد الطاقة الممتصة وتبريد الكاشف. ^{[ 4 ]}

ماص

يمكن تطبيق أبسط مخطط امتصاص على أجهزة استشعار الطاقة الحرارية (TES) العاملة في نطاقات الأشعة تحت الحمراء القريبة، والضوء المرئي، والأشعة فوق البنفسجية. تستخدم هذه الأجهزة عادةً جهاز استشعار طاقة حرارية من التنجستن كممتص ذاتي، يمتص ما يصل إلى 20% من الإشعاع الساقط. ^{[ 5 ]} إذا رُغِبَ في كشف عالي الكفاءة، يُمكن تصنيع جهاز استشعار الطاقة الحرارية في تجويف بصري متعدد الطبقات مُضَبَّط على الطول الموجي التشغيلي المطلوب، باستخدام مرآة خلفية وطلاء أمامي مضاد للانعكاس. تُقلل هذه التقنيات من النفاذية والانعكاس من الكواشف إلى قيم منخفضة للغاية؛ وقد لُوحِظَت كفاءة كشف تصل إلى 95%. ^{[ 4 ]} عند الطاقات العالية، يكون العائق الرئيسي للامتصاص هو النفاذية، وليس الانعكاس، وبالتالي يُفضَّل استخدام ممتص ذي قدرة عالية على إيقاف الفوتونات وسعة حرارية منخفضة؛ وغالبًا ما يُستخدم غشاء من البزموت . ^{[ 3 ]} يجب أن يتمتع أي ممتص بسعة حرارية منخفضة بالنسبة لجهاز استشعار الطاقة الحرارية. تساهم السعة الحرارية العالية في المادة الماصة في زيادة التشويش وتقليل حساسية الكاشف (حيث أن الطاقة الممتصة نفسها لن تُحدث تغييرًا كبيرًا في مقاومة TES). بالنسبة للإشعاع تحت الأحمر البعيد في نطاق المليمتر، تستخدم أنظمة الامتصاص عادةً هوائيات أو أبواق تغذية . ^{[ 3 ]}

ميزان الحرارة

يعمل جهاز استشعار درجة الحرارة (TES) كمقياس حرارة على النحو التالي: تزيد الطاقة الساقطة الممتصة من مقاومة المستشعر ذي الانحياز الجهدي ضمن منطقة انتقاله، ويتناسب تكامل الانخفاض الناتج في التيار طرديًا مع الطاقة التي يمتصها الكاشف. ^{[ 5 ]} تتناسب إشارة الخرج طرديًا مع تغير درجة حرارة المادة الممتصة، وبالتالي، وللحصول على أقصى حساسية، يجب أن يتمتع جهاز استشعار درجة الحرارة بسعة حرارية منخفضة ومنطقة انتقال ضيقة. تعتمد خصائص جهاز استشعار درجة الحرارة المهمة، بما في ذلك السعة الحرارية والتوصيل الحراري، اعتمادًا كبيرًا على درجة الحرارة، لذا يُعد اختيار درجة حرارة الانتقال (Tc ₎ أمرًا بالغ الأهمية لتصميم الجهاز. علاوة على ذلك، يجب اختيار Tc بما يتناسب مع نظام التبريد المتاح . يُعد التنجستن خيارًا شائعًا لأجهزة استشعار درجة الحرارة العنصرية، حيث يُظهر التنجستن ذو الأغشية الرقيقة طورين، أحدهما بدرجة _حرارةانتقال _تبلغ حوالي 15 ملي كلفن والآخر بدرجة حرارة انتقال _تتراوح بين 1 و4 كلفن، ويمكن دمجهما لضبط درجة _حرارة الانتقال الكلية للجهاز بدقة . ^[⁶^] تُعد أجهزة استشعار درجة الحرارة ثنائية الطبقات ومتعددة الطبقات طريقة تصنيع شائعة أخرى، حيث يتم دمج أغشية رقيقة من مواد مختلفة لتحقيق _درجةحرارة الانتقال المطلوبة . ^[³^]

الموصلية الحرارية

أخيرًا، من الضروري ضبط التوصيل الحراري بين جهاز تخزين الطاقة الكهروحرارية (TES) وحوض سائل التبريد؛ إذ يُعدّ انخفاض الموصلية الحرارية ضروريًا لضمان امتصاص جهاز تخزين الطاقة الكهروحرارية للطاقة الساقطة بدلًا من فقدانها مباشرةً في الحوض. مع ذلك، يجب ألا يكون التوصيل الحراري ضعيفًا جدًا، نظرًا لضرورة تبريد جهاز تخزين الطاقة الكهروحرارية إلى درجة حرارة الحوض بعد امتصاص الطاقة. هناك طريقتان للتحكم في التوصيل الحراري: الأولى هي اقتران الإلكترون-الفونون، والثانية هي التصنيع الميكانيكي. عند درجات الحرارة المنخفضة جدًا، يكون اقتران أنظمة الإلكترون والفونون في المادة ضعيفًا. وتعتمد الموصلية الحرارية للإلكترون-الفونون بشدة على درجة الحرارة، وبالتالي يمكن ضبطها عن طريق تعديل درجة حرارة التبلور (Tc ₎ . ^[³^]^[⁴^] تستخدم أجهزة أخرى وسائل ميكانيكية للتحكم في الموصلية الحرارية، مثل بناء جهاز تخزين الطاقة الكهروحرارية على غشاء دون الميكرومتر فوق ثقب في الركيزة أو في منتصف بنية "شبكة العنكبوت" المتباعدة. ^[⁷^]

المزايا والعيوب

تُعدّ كواشف الطاقة الحرارية السطحية (TES) جذابةً للمجتمع العلمي لأسبابٍ عديدة. من أبرز سماتها كفاءة كشف عالية غير مسبوقة، قابلة للتخصيص لأطوال موجية تتراوح من نطاق الموجات المليمترية إلى أشعة غاما ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]} ، ومستوى عدّ خلفي مظلم نظريًا يكاد يكون معدومًا (أقل من حدث واحد في 1000 ثانية ناتج عن التقلبات الحرارية الذاتية للجهاز ^{[ 5 ]} ). (عمليًا، على الرغم من أن إشارة طاقة حقيقية فقط هي التي تُولّد نبضة تيار، إلا أنه قد يتم تسجيل مستوى خلفية غير صفري بواسطة خوارزمية العد أو وجود ضوء خلفي في الإعداد التجريبي. حتى إشعاع الجسم الأسود الحراري قد يُرصد بواسطة كاشف TES مُحسَّن للاستخدام في نطاق الضوء المرئي).

مع ذلك، تعاني كواشف الفوتونات المفردة بتقنية TES من بعض العيوب مقارنةً بنظيراتها من الثنائيات الضوئية الانهيارية (APD). تُصنّع الثنائيات الضوئية الانهيارية في وحدات صغيرة، تقوم بعدّ الفوتونات مباشرةً بعد إخراجها من العلبة بزمن توقف يبلغ بضع نانوثوانٍ، وتُخرج نبضةً لكل فوتون بتذبذب زمني يبلغ عشرات البيكوثواني. في المقابل، يجب تشغيل كواشف TES في بيئة مبردة، وتُخرج إشارةً يجب تحليلها لاحقًا لتحديد الفوتونات، ويبلغ تذبذبها الزمني حوالي 100 نانوثانية. ^{[ 4 ]} علاوةً على ذلك، يستمر نبض الفوتون المفرد على كاشف TES في حدود الميكروثواني.

التطبيقات

أصبحت مصفوفات TES شائعة بشكل متزايد في تجارب الفيزياء وعلم الفلك مثل SCUBA-2 ، وجهاز HAWC+ على مرصد ستراتوسفيريك لعلم الفلك بالأشعة تحت الحمراء ، وتلسكوب أتاكاما لعلم الكونيات ، والبحث عن المادة المظلمة المبردة ، والمرصد المبرد للبصمات المرصودة في عمليات البحث تحت الأرض من الجيل التالي ، والبحث المبرد عن الأحداث النادرة باستخدام مقاييس الحرارة فائقة التوصيل ، وتجربة E وB ، وتلسكوب القطب الجنوبي ، ومقياس الاستقطاب Spider ، وجهاز X-IFU الخاص بقمر التلسكوب المتقدم لفيزياء الطاقة العالية ، وتجربة استقطاب خلفية الموجات الميكروية الكونية المستقبلية LiteBIRD ، ومرصد سيمونز ، وتجربة CMB المرحلة الرابعة.

انظر أيضاً

مراجع

↑ DH Andrews et al. ، "الموصلات الفائقة المخففة I. لقياس الإشعاع تحت الأحمر". Rev. Sci. Instrum. ، 13 ، 281 (1942)، doi : 10.1063/1.1770037 .
↑ KD Irwin, "تطبيق التغذية الراجعة الكهروحرارية للكشف عالي الدقة عن الجسيمات المبردة". Appl. Phys. Lett. ، 66 ، 1998 (1995)، doi : 10.1063/1.113674 .
1 2 3 4 5 6 K. D. Irwin و GC Hilton، "أجهزة استشعار الحافة الانتقالية"، الكشف عن الجسيمات المبردة ، تحرير C. Enss، Springer (2005)، doi : 10.1007/10933596_3 .
1 2 3 4 5 A. Lita et al. , "Counting near-infrared single-photons with 95% efficient", Optics Express 16 , 3032 (2008), doi : 10.1364/OE.16.003032 .
1 2 3 أ. ج. ميلر وآخرون ، "عرض توضيحي لعداد فوتونات الأشعة تحت الحمراء القريبة منخفض الضوضاء مع تمييز متعدد الفوتونات"، رسائل الفيزياء التطبيقية ، 83 ، 791-793. (2003)، doi : 10.1063/1.1596723 .
↑ A. Lita et al. , "ضبط درجة حرارة الانتقال الفائق التوصيل لأغشية التنجستن الرقيقة لتصنيع كاشفات تحديد عدد الفوتونات"، IEEE Trans. Appl. Supercond. , 15 , 3528 (2005), doi : 10.1109/TASC.2005.849033 .
↑ J. Bock et al. , "مقياس إشعاع جديد للأشعة تحت الحمراء والموجات المليمترية في الفيزياء الفلكية"، Space Science Reviews , 74 , 229–235 (1995), doi : 10.1007/BF00751274 .

[1] DH Andrews et al. ، "الموصلات الفائقة المخففة I. لقياس الإشعاع تحت الأحمر". Rev. Sci. Instrum. ، 13 ، 281 (1942)، doi : 10.1063/1.1770037 .

[2] KD Irwin, "تطبيق التغذية الراجعة الكهروحرارية للكشف عالي الدقة عن الجسيمات المبردة". Appl. Phys. Lett. ، 66 ، 1998 (1995)، doi : 10.1063/1.113674 .

[IrwinHilton-3] 1 2 3 4 5 6 K. D. Irwin و GC Hilton، "أجهزة استشعار الحافة الانتقالية"، الكشف عن الجسيمات المبردة ، تحرير C. Enss، Springer (2005)، doi : 10.1007/10933596_3 .

[NIST-4] 1 2 3 4 5 A. Lita et al. , "Counting near-infrared single-photons with 95% efficient", Optics Express 16 , 3032 (2008), doi : 10.1364/OE.16.003032 .

[NIST2-5] 1 2 3 أ. ج. ميلر وآخرون ، "عرض توضيحي لعداد فوتونات الأشعة تحت الحمراء القريبة منخفض الضوضاء مع تمييز متعدد الفوتونات"، رسائل الفيزياء التطبيقية ، 83 ، 791-793. (2003)، doi : 10.1063/1.1596723 .

[6] A. Lita et al. , "ضبط درجة حرارة الانتقال الفائق التوصيل لأغشية التنجستن الرقيقة لتصنيع كاشفات تحديد عدد الفوتونات"، IEEE Trans. Appl. Supercond. , 15 , 3528 (2005), doi : 10.1109/TASC.2005.849033 .

[7] J. Bock et al. , "مقياس إشعاع جديد للأشعة تحت الحمراء والموجات المليمترية في الفيزياء الفلكية"، Space Science Reviews , 74 , 229–235 (1995), doi : 10.1007/BF00751274 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[

[