(高清版)GBT 39722-2020 超導(dǎo)電子器件 傳感器和探測器通 用規(guī)范

GB/T39722—2020/IEC61788-22-1:2017超導(dǎo)電子器件傳感器和探測器通用規(guī)范(IEC61788-22-1:2017,Superconductivity—Par國家市場監(jiān)督管理總局國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)IGB/T39722—2020/IEC61788-22-1:2017 Ⅲ 12規(guī)范性引用文件 1 1 4 4 45.2分類 7 8 87.1器件識(shí)別 87.2包裝 8 8附錄A(資料性附錄)相干探測 9 9 附錄B(資料性附錄)直接探測 B.1金屬磁熱量計(jì)(MMC)類型 B.3超導(dǎo)帶線(SS)類型 B.5轉(zhuǎn)變邊傳感器(TES)類型 附錄C(規(guī)范性附錄)設(shè)備和圖表用圖形符號(hào) C.4一種變形的連接形式 C.5約瑟夫森結(jié) 9Ⅱ 圖B.1MMC探測器 圖C.1超導(dǎo)區(qū)域，單端超導(dǎo)連接 圖C.2超導(dǎo)區(qū)域，單端常導(dǎo)連接 見IEC60417-6370:2016-09) 圖C.4串聯(lián)連接 圖C.5超導(dǎo)區(qū)域，兩端超導(dǎo)由非常小的非超導(dǎo)區(qū)域連接(約瑟夫森結(jié)，見IEC60417-6371:2016-09) 表1被測量 4表2被測量的分類 5 6表4探測原理分類 7Ⅲ——GB/T2900.100—2017電工術(shù)語超導(dǎo)電性(IEC60050-815:2015,IDT)——GB/T4728(所有部分)電氣簡圖用圖形符號(hào)[IEC60617]——GB/T5465(所有部分)電氣設(shè)備用圖形符號(hào)第1部分：概——GB/T16273(所有部分)設(shè)備用圖形符號(hào)第1測器也是可行的，例如將超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊傳感器(TES)用于X射線探測器，通過測量由被測量能量累積導(dǎo)致的溫升實(shí)現(xiàn)探測。因此，在本標(biāo)準(zhǔn)中用術(shù)語“超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊現(xiàn)X射線探測的器件或裝置。1GB/T39722—2020/IEC本標(biāo)準(zhǔn)給出了超導(dǎo)傳感器和探測器的通用規(guī)范，這些是IEC61788其他部分中對(duì)各種類型傳感器和探測器的規(guī)范的基礎(chǔ)。所述傳感器和探測器主要由超導(dǎo)材料組成并依賴于IEC60027(所有部分)電子管參數(shù)符號(hào)(Lettersymbolstobeusedinelectricaltechnology)IEC60050-815國際電工詞匯第815部分：超導(dǎo)電性(InternationalElectrotechnicalVocabula-ry—Part815:Superconductivity)IEC60417電氣設(shè)備用圖形符號(hào)[Graphicalsymbolsforuseonequipment(見：http://www.ISO1000國際單位制及應(yīng)用(SIunitsandrecoISO7000設(shè)備用圖形符號(hào)收錄符號(hào)[Graphicalsymbolsforuseonequipment—RegisteredIEC60050-815界定的以及下列術(shù)語臨界電流調(diào)制系數(shù)criticalcurrentmodulationparameter2回滯系數(shù)Stewart-McCumberβc=2πI?Rn2C/匝。,其中R。為約瑟夫森結(jié)正橋結(jié)bridgejunction通過小截面超導(dǎo)橋連接兩塊超導(dǎo)體形成的結(jié)。臨界電流criticalcurrentI在超導(dǎo)體或約瑟夫森結(jié)中，可視為幾乎是無阻流動(dòng)的最大直流電流。臨界電流密度criticalcurrentdensityJ。臨界電流除以流經(jīng)超導(dǎo)體或約瑟夫森結(jié)的橫截面積。反饋線圈feedbackcoil在磁通鎖定環(huán)(FLL)模式下，與SQUID感性耦合的線圈。磁通鎖定環(huán)fluxlockedloop;FLL通過負(fù)反饋來保持SQUID環(huán)中的磁通量恒定來提高SQUID線性度和動(dòng)態(tài)范圍的方法。梯度計(jì)gradiometer耦合到一個(gè)SQUID磁強(qiáng)計(jì)的超導(dǎo)環(huán)路結(jié)構(gòu)或多個(gè)SQUID磁強(qiáng)計(jì)組成的結(jié)構(gòu)，僅對(duì)梯度磁場敏感或不對(duì)均勻磁場敏感。金屬磁熱量探測器metallicmagneticcalorimetricdetector一種通過檢測金屬吸收體磁化強(qiáng)度變化來測量其溫升的超導(dǎo)器件，這種變化源于被測量導(dǎo)致的器一種檢測超導(dǎo)帶線微波表面阻抗變化的超導(dǎo)器件，這種變化源于被測量導(dǎo)致的器件能量累積。正常態(tài)電阻normalstateresistance處于正常態(tài)下的超導(dǎo)體或約瑟夫森結(jié)電阻。平面梯度計(jì)planargradiometer一種與SQUID耦合的磁通探測環(huán)路，用于測量與檢測環(huán)路共平面的梯度磁場。3GB/T39722—2020/IEC準(zhǔn)粒子quasiparticle通過破壞超導(dǎo)體中庫珀對(duì)而形成的具有電子和空穴融合性質(zhì)的一種激發(fā)態(tài)。一種通過檢測超導(dǎo)微橋電阻的變化來實(shí)現(xiàn)測量輻射能量的外差混頻式超導(dǎo)器件，這種變化源于被測量導(dǎo)致的器件能量累積。SQUID傳感器SQUIDsensor一種利用包含一個(gè)或多個(gè)約瑟夫森結(jié)的閉環(huán)電路中的量子干涉效應(yīng)的超導(dǎo)器件。SQUID陣列SQUIDarray;SQA一種由多個(gè)SQUID以串聯(lián)和/或并聯(lián)陣列形式組成的器件。最大環(huán)路尺寸一般不超過500nm的SQUID。包含一個(gè)或多個(gè)約瑟夫森結(jié)的多重超導(dǎo)結(jié)構(gòu)。SQUID放大器SQUIDamplifier利用單個(gè)SQUID、SQUID陣列或其他基于SQUID的電流傳感器電路組成的電流-電壓轉(zhuǎn)換器。亞能隙區(qū)域subgapregion位于隧道結(jié)I-V回滯曲線的底部分支上，該區(qū)域電壓小于2△。亞能隙電流subgapcurrent隧道結(jié)在亞能隙區(qū)域的準(zhǔn)粒子隧穿電流。超導(dǎo)帶線探測器superconductingstripdetector一種檢測長超導(dǎo)帶線中的局域電阻變化的超導(dǎo)器件，這種變化源于被測量導(dǎo)致的器件能量累積。4GB/T39722—2020/IEC一種檢測兩塊被勢壘層隔開的超導(dǎo)體或超導(dǎo)體和正常導(dǎo)體之間隧穿●IEC60027(所有部分);附錄C、IEC60417和IEC60617中做出了定義。而對(duì)于特定使用在其他傳感器或探測器凡本標(biāo)準(zhǔn)中涉及到的某器件特有的任何專業(yè)術(shù)語都應(yīng)采自相關(guān)的國際電工委員會(huì)(IEC)或國際標(biāo)計(jì)數(shù)、能量、通量、時(shí)間計(jì)數(shù)、能量、通量、時(shí)間計(jì)數(shù)、能量、通量、時(shí)間其他(指定)5GB/T39722—2020/IEC表1(續(xù))暗物質(zhì)計(jì)數(shù)、能量、通量、時(shí)間電子計(jì)數(shù)、能量、通量、時(shí)間中微子計(jì)數(shù)、能量、通量、時(shí)間中子計(jì)數(shù)、能量、通量、時(shí)間計(jì)數(shù)、能量、通量、時(shí)間計(jì)數(shù)、能量、通量、時(shí)間計(jì)數(shù)、能量、通量、時(shí)間其他(指定)電容電流電感電阻電壓其他(指定)電磁波其他(指定)輻射(電磁波)輻射(單個(gè)電磁輻射量子)6GB/T39722—2020/IEC61788-22-1:2017表3列出了多種類型的傳感器和探測器(按英文字母順序)。這些傳感器和探測器將被測量轉(zhuǎn)換為全稱和英文縮寫范例(MMCX-射線探測器或MMCXD)(MKI光子探測器或MKIPD)(MKIX-射線探測器或MKIXD)(SHEB光子探測器或SHEBPD)(SHEB太赫茲混頻器或SHEBTM)(SQUID放大器或SQUIDA)(SQUID電流傳感器或SQUIDCS)(SQUID梯度計(jì)或SQUIDG)(SQUID磁強(qiáng)計(jì)或SQUIDM)(SQIF磁強(qiáng)計(jì)或SQIFM)(SQUID陣列磁強(qiáng)計(jì)或SQUIDAM)(SS電子探測器或SSED)(SS離子探測器或SSID)(SS粒子探測器或SSPD)(SS光子探測器或SSPD)(SNS光子探測器或SNSPD)7全稱和英文縮寫范例(STJ粒子探測器或STJID)(STJ太赫茲混頻器或STJTM)(STJ光子探測器或STJPD)(STJX-射線探測器或STJXD)(SIS太赫茲混頻器或SISTM等效于STJTM)(SNS混頻器或SNSM)(TES光子探測器或TESPD)(TESX-射線探測器或TESXD)指定傳感器和探測器的探測原理可分為兩類：相干探測和直接探測(見表4)。用于相干探測類的器件包括測輻射熱計(jì)、傳感器或者混頻器，而用于直接探測類的器件包括熱量計(jì)或者探測器。工作原理參見附錄A(相干探測)和附錄B(直接探測)。表4探測原理分類場和物理量的相干探測粒子的直接探測值得注意的是直接探測類的器件對(duì)單個(gè)粒子敏感，同時(shí)也可測量粒子的通量。問題在于超導(dǎo)器件8GB/T39722—2020/IEC詞適用于粒子計(jì)數(shù)。態(tài)或利用陡峭的正常態(tài)-超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變沿來進(jìn)行感應(yīng)或檢測被測量。工作溫度范圍由傳感器或探測器的9GB/T39722—2020/IEC61788-22-1SHEB類型傳感器能夠探測亞毫米波和遠(yuǎn)紅外元件都組合在一起。熱阻R=1/G,(其中G是熱導(dǎo))是入射功率P和溫度變化△T之間關(guān)系式系數(shù)，SHEB類型的一個(gè)例子是由兩個(gè)厚金屬電極通過一個(gè)小的氮化鈮(NbN)超導(dǎo)微橋連接構(gòu)成的器GB/T39722—2020/IECSHEB類型的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它可以通過快速的聲子或電點(diǎn)使其能對(duì)超過1000GHz頻率的輻射進(jìn)行外差相干探測，而STJ混頻器因?yàn)槌瑢?dǎo)STJ結(jié)構(gòu)與約瑟夫森隧道結(jié)完全相同[圖A.2a]],但是約瑟夫森效應(yīng)需要通過與結(jié)平面平行的磁經(jīng)常被稱作超導(dǎo)體-絕緣體-超導(dǎo)體(SIS)混頻器。由于1000GHz以下頻段沒有合A.3超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)類型SQUID類型傳感器能夠進(jìn)行磁通或磁場的靈敏檢測。它是基于超導(dǎo)體所具有的磁通量子化和約瑟夫森效應(yīng)。通常由包含一個(gè)約瑟夫森結(jié)(交流SQUID)或兩個(gè)約瑟夫構(gòu)成。當(dāng)穿過SQUID環(huán)路的外界磁通發(fā)生變化時(shí)，SQUID器件的電感(交流S流SQUID)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，因此可以用交流和直流的方法分別來探測外界磁通變化。利用該GB/T39722—2020/IEC61788-22-1鈮基合金的低溫SQUID通常工作在4.2K(例如液氦),而高溫SQUID則工作在77K(液氮)。從高溫SQUID則要高10倍以上。圖A.3a)是典型的直流SQUID磁強(qiáng)計(jì)示意圖。其中一個(gè)大的探測線圈和一個(gè)螺旋輸入線圈組成了磁通變換器。外部磁場通過磁通變換器變換成穿過SQUID環(huán)的磁通。這樣就得到了以Φ。為周期簡化的直流SQUID等效電路圖如圖A.3b)所示。單個(gè)直流SQUID通常工作在恒流偏置條件下。都有一個(gè)正常態(tài)電阻R。如果直流SQUID環(huán)路內(nèi)穿過的磁通密度與環(huán)外磁通密度相同，則不會(huì)發(fā)生任何變化。但如果各密度存在差異，則會(huì)感應(yīng)出屏蔽電流Is并在回路中流動(dòng)以補(bǔ)償其不平衡。Is表屏蔽電流Is在超導(dǎo)環(huán)路的一個(gè)支路中與Ip方向相同，在另一支路中與Is相反，這樣總電流在一個(gè)支路中成為(Ig+Is)/2,另一個(gè)支路成為(Ip-Is)/2。只要任一分支中的電流超過約瑟夫森結(jié)的臨結(jié)兩端的電壓隨環(huán)路中磁通周期性變化。如果采用反饋技術(shù)FLL(磁通鎖定環(huán)),FLL輸出電壓將圖A.3直流SQUID度為25×10?A/m2(@4.2K),結(jié)正常態(tài)電阻R為8Ω。通常，用于產(chǎn)生磁場的螺旋輸入線圈集成在SQUID芯片之上GB/T39722—2020/IECMMC是通過測量小磁場中順磁性傳感器在被測能量累積后磁化強(qiáng)度變化，從而實(shí)現(xiàn)直接探測。接SQUID熱連接熱沉順磁性傳感器的一個(gè)例子是Au:Er順磁性金屬合金，該合金是在金母體中摻入300ppm至圖B.1b)所示。這個(gè)改變由采用SQUID的超導(dǎo)電路讀出。由于金屬中磁自旋和傳導(dǎo)電子間的強(qiáng)耦MMC探測器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能量分辨率(△E)與吸收器的熱容(C)弱關(guān)聯(lián)。預(yù)期是△E0C1/3,這波頻率范圍內(nèi)的諧振頻率(圖B.2所示)。當(dāng)一個(gè)被測量(例如一個(gè)光子)的能量累積在超導(dǎo)電感器里(圖B.2),其中共面波導(dǎo)的作用是使頻率范圍在0.1GHz至20GHz的微波激發(fā)諧振器。諧振器激勵(lì)和相位、諧振幅度變化的測量都由一個(gè)室溫精密微波元件控制。波電纜讀出。B.3超導(dǎo)帶線(SS)類型SS通過測量制備在襯底上的超導(dǎo)帶線在被測能量累積時(shí)產(chǎn)生的有阻態(tài)實(shí)現(xiàn)直接探測，有阻態(tài)源自熱點(diǎn)形成或其他物理現(xiàn)象。其工作時(shí)，偏置電流設(shè)置在帶線的臨界電流值以下。探測器工作時(shí)相當(dāng)于一種超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊緣器件。當(dāng)產(chǎn)生的熱點(diǎn)尺寸足夠大以至于周圍區(qū)域的電流密度超過臨界電流密度時(shí)，在帶線的整個(gè)寬度上將出現(xiàn)一片有阻區(qū)域(圖B.3)。產(chǎn)生的內(nèi)部熱能會(huì)以遠(yuǎn)低于1ns的時(shí)間通過襯底弛豫和擴(kuò)散掉，與此同時(shí)電阻帶也隨之消失。B.4超導(dǎo)隧道結(jié)(STJ)類型STJ也能基于被測能量吸收引起的準(zhǔn)粒子激發(fā)實(shí)現(xiàn)直接測量。STJ結(jié)構(gòu)與約瑟夫森結(jié)完全相同，遭到破壞從而產(chǎn)生多余的準(zhǔn)粒子。多余的準(zhǔn)粒子隧穿過兩個(gè)超導(dǎo)電極(S1和S2)之間的絕緣成隧穿電流增加[圖B.4b]]。準(zhǔn)粒子數(shù)量與E/△成正比。該電GB/T39722—2020/IEC 圖B.4STJ探測器STJ的一個(gè)例子是Nb/Al/A1O?/Nb結(jié)，結(jié)尺寸200μm,臨界電流密度為2×10?A/m2(4.2K下),正常態(tài)電阻為20Ω。結(jié)尺寸要比SIS混頻器大得多，是因?yàn)樾枰鄬?duì)較大的敏感面積。STJ的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是基溫漂移保持在超導(dǎo)電極約10%T。范圍內(nèi)時(shí)，超導(dǎo)能隙能夠確保高穩(wěn)定性，而不受基溫漂移影響。B.5轉(zhuǎn)變邊傳感器(TES)類型TES傳感器基于薄膜在被測能量累積時(shí)的電阻變化實(shí)現(xiàn)直接測量，電阻變化源自正常態(tài)-超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變過程中平衡溫度的變化(圖B.5)。TES的溫度被保持在正常態(tài)-超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變的中間位置，可以通過精確調(diào)節(jié)溫度實(shí)現(xiàn)，也可以使溫度略低于超導(dǎo)薄膜的臨界溫度T。并在薄膜兩端施加恒定電壓V。在后一種情況下，自熱功率Pj=V2/R將與從薄膜到熱沉的熱逸出Pp保持平衡。在正常態(tài)-超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變區(qū)域內(nèi)，R值隨溫度增加而增加，從而造成Pj降低。因此，薄膜溫度穩(wěn)定在轉(zhuǎn)變邊緣的偏置點(diǎn)T?處，具體由V值確定的。例如，當(dāng)TES吸收體吸收光子后會(huì)造成溫度上升，此時(shí)自熱功率下降。這樣提供了一種負(fù)反饋使TES比熱時(shí)間常數(shù)更快地返回到偏置點(diǎn)。該效應(yīng)被稱為電熱反饋(ETF)(圖B.5)。吸收被測量導(dǎo)致的負(fù)電流脈沖將由SQUID電流放大器讀出。P=Eδ(1-1?)P=Eδ(1-1?)TES類型探測器概念圖和工作原理圖圖B.5TES探測器TES的一個(gè)例子是Mo(60nm)/Cu(200nm)的雙層膜，面積為400μm×400μm,生長在250nm厚的Si?N?膜上，工作溫度70mK。TES由一個(gè)0.2mQ的銅電阻并聯(lián)分流，該阻值遠(yuǎn)低于偏置點(diǎn)的電阻R,以實(shí)現(xiàn)恒壓偏置。被測量能量的單次吸收產(chǎn)生的負(fù)電流脈沖通過串聯(lián)SQUID陣列放大器變換TES的優(yōu)點(diǎn)融合了極高能量分辨率的熱量計(jì)性能和正常態(tài)-超導(dǎo)態(tài)窄轉(zhuǎn)變寬度中間的穩(wěn)定偏壓，其中陡峭的R-T曲線可當(dāng)作是一種高度靈敏的溫度傳感器。而且，ETF還可以補(bǔ)償熱量計(jì)固有的緩在本標(biāo)準(zhǔn)中，TES薄膜被定義為超導(dǎo)薄膜，盡管具有有限的電阻，但它仍然受到超導(dǎo)特性的影響。受超導(dǎo)特性影響的器件統(tǒng)稱為超導(dǎo)器件。能量分辨率取決于C。(規(guī)范性附錄)設(shè)備和圖表用圖