GB∕T 39722-2020 超導(dǎo)電子器件 傳感器和探測(cè)器規(guī)范

GB/T39722—2020/IEC61788-22-1:2017傳感器和探測(cè)器通用規(guī)范國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局國(guó)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(lèi) 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(cè) 9 9 附錄B(資料性附錄)直接探測(cè) B.1金屬磁熱量計(jì)(MMC)類(lèi)型 B.3超導(dǎo)帶線(SS)類(lèi)型 B.5轉(zhuǎn)變邊傳感器(TES)類(lèi)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(cè)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(jiàn)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(jiàn)IEC60417-6371:2016-09) 表1被測(cè)量 4表2被測(cè)量的分類(lèi) 5 6表4探測(cè)原理分類(lèi) 7Ⅲ—GB/T2900.100—2017電工術(shù)語(yǔ)超導(dǎo)電性(IEC60050-815:2015,IDT)——GB/T4728(所有部分)電氣簡(jiǎn)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：概述與分類(lèi)(IEC60——GB/T16273(所有部分)設(shè)備用圖形符號(hào)第1部分：通用符號(hào)(ISO7000)測(cè)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(cè)器，通過(guò)測(cè)量由被測(cè)量能量累積導(dǎo)致的溫升實(shí)現(xiàn)探測(cè)。因此，在本標(biāo)準(zhǔn)中用術(shù)語(yǔ)“超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊現(xiàn)X射線探測(cè)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(cè)器的通用規(guī)范，這些是IEC61788其他部分中對(duì)各種類(lèi)型傳感器和探測(cè)器的規(guī)范的基礎(chǔ)。所述傳感器和探測(cè)器主要由超導(dǎo)材料組成并依賴(lài)于IEC60027(所有部分)電子管參數(shù)符號(hào)(Lettersymbolstobeusedinelectricaltechnology)IEC60050-815國(guó)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(jiàn)：http://www.ISO1000國(guó)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(yǔ)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(guò)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(wú)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(guò)負(fù)反饋來(lái)保持SQUID環(huán)中的磁通量恒定來(lái)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(chǎng)敏感或不對(duì)均勻磁場(chǎng)敏感。金屬磁熱量探測(cè)器metallicmagneticcalorimetricdetector一種通過(guò)檢測(cè)金屬吸收體磁化強(qiáng)度變化來(lái)測(cè)量其溫升的超導(dǎo)器件，這種變化源于被測(cè)量導(dǎo)致的器一種檢測(cè)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(cè)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(cè)環(huán)路，用于測(cè)量與檢測(cè)環(huán)路共平面的梯度磁場(chǎng)。3GB/T39722—2020/IEC準(zhǔn)粒子quasiparticle通過(guò)破壞超導(dǎo)體中庫(kù)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(guò)檢測(cè)超導(dǎo)微橋電阻的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量輻射能量的外差混頻式超導(dǎo)器件，這種變化源于被測(cè)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(guò)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(cè)器superconductingstripdetector一種檢測(cè)長(zhǎng)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(cè)量導(dǎo)致的器件能量累積。4GB/T39722—2020/IEC61788-22-1一種檢測(cè)兩塊被勢(shì)壘層隔開(kāi)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(cè)器的圖形符號(hào)在凡本標(biāo)準(zhǔn)中涉及到的某器件特有的任何專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)都應(yīng)采自相關(guān)的國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)或國(guó)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(lèi)型的傳感器和探測(cè)器(按英文字母順序)。這些傳感器和探測(cè)器將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為全稱(chēng)和英文縮寫(xiě)范例(MMCa-射線探測(cè)器或MMCAD)(MMCX-射線探測(cè)器或MMCXD)(MKI光子探測(cè)器或MKIPD)(MKIX-射線探測(cè)器或MKIXD)(SHEB光子探測(cè)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(cè)器或SSED)(SS離子探測(cè)器或SSID)(SS粒子探測(cè)器或SSPD)(SS光子探測(cè)器或SSPD)(SNS光子探測(cè)器或SNSPD)7全稱(chēng)和英文縮寫(xiě)范例(STJ粒子探測(cè)器或STJID)(STJ太赫茲混頻器或STJTM)(STJ光子探測(cè)器或STJPD)(STJX-射線探測(cè)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(cè)器或TESPD)(TESX-射線探測(cè)器或TESXD)指定傳感器和探測(cè)器的探測(cè)原理可分為兩類(lèi)：相干探測(cè)和直接探測(cè)(見(jiàn)表4)。用于相干探測(cè)類(lèi)的器件包括測(cè)輻射熱計(jì)、傳感器或者混頻器，而用于直接探測(cè)類(lèi)的器件包括熱量計(jì)或者探測(cè)器。工作原理參見(jiàn)附錄A(相干探測(cè))和附錄B(直接探測(cè))。表4探測(cè)原理分類(lèi)場(chǎng)和物理量的相干探測(cè)粒子的直接探測(cè)值得注意的是直接探測(cè)類(lèi)的器件對(duì)單個(gè)粒子敏感，同時(shí)也可測(cè)量粒子的通量。問(wèn)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(lái)進(jìn)行感應(yīng)或檢測(cè)被測(cè)量。工作溫度范圍由傳感器或探測(cè)器的9GB/T39722—2020/IEC61788-22-1SHEB類(lèi)型傳感器能夠探測(cè)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(lèi)型的一個(gè)例子是由兩個(gè)厚金屬電極通過(guò)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(lèi)型的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它可以通過(guò)快速的聲子或電點(diǎn)使其能對(duì)超過(guò)1000GHz頻率的輻射進(jìn)行外差相干探測(cè)，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(guò)與結(jié)平面平行的磁經(jīng)常被稱(chēng)作超導(dǎo)體-絕緣體-超導(dǎo)體(SIS)混頻器。由于1000GHz以下頻段沒(méi)有合A.3超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)類(lèi)型SQUID類(lèi)型傳感器能夠進(jìn)行磁通或磁場(chǎng)的靈敏檢測(cè)。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(guò)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(lái)探測(cè)外界磁通變化。利用該的電壓-磁通響應(yīng)(圖A.3b)]。a)SQUID類(lèi)型傳感器概念圖：磁強(qiáng)計(jì)是由超導(dǎo)探測(cè)線圈通過(guò)磁通變換器的形式與直流SQUID耦合而形成b)直流SQUID電路圖和電壓-磁通特性曲線場(chǎng)和電流。GB/T39722—2020/IEC直接探測(cè)MMC是通過(guò)測(cè)量小磁場(chǎng)中順磁性傳感器在被測(cè)能量累積后磁化強(qiáng)度變化，從而實(shí)現(xiàn)直接探測(cè)。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(cè)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(cè)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(cè)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(lèi)型SS通過(guò)測(cè)量制備在襯底上的超導(dǎo)帶線在被測(cè)能量累積時(shí)產(chǎn)生的有阻態(tài)實(shí)現(xiàn)直接探測(cè)，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(cè)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?chē)鷧^(qū)域的電流密度超過(guò)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(guò)襯底弛豫和擴(kuò)散掉，與此同時(shí)電阻帶也隨之消失。SS的一個(gè)例子是厚5nm、寬100nm的NbN帶線。NbN帶線工作在4K或以下的溫度。為了得B.4超導(dǎo)隧道結(jié)(STJ)類(lèi)型STJ也能基于被測(cè)能量吸收引起的準(zhǔn)粒子激發(fā)實(shí)現(xiàn)直接測(cè)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(guò)兩個(gè)超導(dǎo)電極(S1成隧穿電流增加[圖B.4b]]。準(zhǔn)粒子數(shù)量鋁μma)STJ類(lèi)型探測(cè)器概念圖b)STJ類(lèi)型探測(cè)器工作原理圖 超導(dǎo)能隙。TES類(lèi)型探測(cè)器概念圖和工作原理圖圖B.5TES探測(cè)器TES的一個(gè)例子是Mo(60nm)/Cu(200nm)的雙層膜，面積為400μm×400μm,生長(zhǎng)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(cè)量能量的單次吸收產(chǎn)生的負(fù)電流脈沖通過(guò)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(chēng)為超導(dǎo)器件。能量分辨率取決于C。(規(guī)范性附錄)設(shè)備和圖表用圖形符號(hào)C.1超導(dǎo)區(qū)域，單端超導(dǎo)連接見(jiàn)圖C.1。見(jiàn)圖C.2。C.3正常態(tài)-超導(dǎo)態(tài)邊界見(jiàn)圖C.3圖C.3超導(dǎo)區(qū)域，一端超導(dǎo)連接和一端常導(dǎo)連接(正常態(tài)-超導(dǎo)態(tài)邊界，見(jiàn)IEC