应用于远红外到X射线波段的低温超导光子探测器技术研究

近年来发展的低温超导光子探测器可适用于很宽的电磁波段，且具有高能量分辨率、高量子效率和响应时间快等特征，在毫米波亚毫米波至高能X射线频段的天文观测研究中正发挥越来越重要的作用。考虑到我国天文学研究发展的需求，本申请项目拟在远红外及X射线波段重点研究两种有重要应用前景但各有特点的低温超导光子探测器：超导相变边缘结探测器（TES）和超导电感探测器（KID）。该项研究将包括超导探测器件的设计及制备技术、实验表征技术、以及读出电路复用和阵列应用技术，并将实现一个10×10二维探测器原理芯片的研制。通过该项研究，将对上述频段的低温超导光子探测器的物理机制有进一步的理解，具备相应的探测器设计能力和系统集成经验，实现两种超导探测器技术在我国的突破，为发展我国的南极天文和空间天文计划打下重要技术基础。

本项目主要研究了超导TES和KID探测器在远红外及X射线频段的探测机理及特性，以及两种超导探测器件的设计和制备方法，实现了一个二维超导探测器阵列原理芯片的研制，其性能达到了国际同类探测器的水平，为研制我国的天文应用超导探测器阵列芯片打下关键技术基础。本项目取得的主要研究进展包括：成功构建了一套亚K低温制冷系统，其0.3K冷级最低温度可达276mK，在10W热负载下持续制冷时间可达22小时；自主研发了一套基于物理光学算法并采用多处理器并行分布式运算的大规模电磁场仿真计算软件，实现了超导探测器阵列与亚毫米波望远镜集成的复杂光学系统波束特性的快速而精确模拟仿真；提出了太赫兹辐射的非均匀吸收概念，成功模拟仿真并实验证认了超导微桥在不同频率及功率太赫兹辐射下的电阻温度转变特性，并清晰地观察到了微桥在低频辐射下从全超导态到双模式超导态的切换；成功设计并制备了850微米波段基于平面双槽天线耦合且集成absorber和thermometer的NbSi和Ti种超导TES探测器，其中后者在无信号辐照情况下在0.3K的实测噪声等效功率约为5E-17W/√Hz，接近器件的声子噪声。根据实测TES探测器件的物理参数，理论估算其能量分辨率可达34eV；成功设计并制备了850微米波段8×8像元共面波导meander传输线结构超导KID探测器阵列芯片，在100mk温区的实测谐振质量因子高达105，达到国际同类探测器相当水平。此外，还实现了频域多路复用读出系统与KID探测器阵列集成的原理试验；与俄罗斯IREE研究所合作，开展了基于超导隧道结的X射线探测器研究，所制备超导隧道结在1.5K温度下针对5.9keV光子的能量分辨率高达78eV。