太赫兹超导探测器的研究现状及其天文应用(3)

超导相变边沿探测器（ TES） 包含一层超导薄膜（ 典型器件结构如图 4） ,工作在正常态与超导态之间的一个很窄的温度区间内。在此温度区间，超导薄膜的电阻具有很高的温度灵敏度，在恒压偏置下吸收光子信号后引起电流的变化，并通过极低噪声贡献的超导量子干涉仪（ SQUID） 构成的电流放大器读出，从而实现背景极限的探测。恒压偏置和 SQUID 低噪声读出使得大规模超导TES 探测器阵列的实现成为可能，应用于探测从毫米波一直到伽马射线的电磁波辐射，取得了巨大的成功。
　　

　　　　

　　1941 年，D. H. Andrew 首先尝试给一段绝热的钽超导线通上电流，测量在红外辐射下其电阻的变化，从而宣告了超导 TES 探测器的诞生。但是随后的发展遇到两个瓶颈，一是超导 TES 探测器的电阻很小，很难与高阻的 FET 放大器匹配。另一个困难是超导 TES 探测器具有非常窄的电阻转变温度区间，恒流偏置产生的正电热反馈使其很难使超导 TES 探测器位于转变区间内。SQUID 放大器具有非常低的噪声，其低电阻的特性使得与超导 TES 的匹配非常容易。另外超导TES 探测器的偏置从恒流偏置改为恒压偏置，负电热反馈使得超导 TES 很容易处于转变区间内。这两个困难的克服使得超导 TES 探测器的发展速度骤然加快。SQUID 放大器的采用促使了多路读出复用技术的发展，大大降低了大规模超导TES 探测器阵列的引线数目，从而加速了其发展进程。如今高达 1 万像元的 SCUBA-2,安装在JCMT 望远镜上开展亚毫米波辐射的巡天观测。
　　
　　随着天文学的发展，人们认识到除了追求更大规模的超导 TES 探测器阵列外，还需要同时观测不同频率的电磁波辐射，因此在同一个阵列上集成不同频段的超导 TES 探测器成为一种发展趋势，这就要求集成射频滤波器。另外宇宙微波背景辐射观测要求同时测量两个极化方向的辐射，因此双极化超导 TES 探测器成为研究的热点。加州大学 Berkeley 分校提出了双极化多频段的超导 TES 探测器，能够同时观测两个极化方向的不同频段的毫米波辐射。NIST 提出了一种双极化多频段的喇叭馈源超导 TES 探测器，将会应用到 ACTPol 项目上。荷兰 SRON 研制的极低热导超导 TES 探测器，NEP 达到10- 19槡W / Hz,将会应用于空间卫星计划 SPICA.
　　
　　2. 2. 2 超导动态电感（ KID） 探测器太赫兹超导动态电感探测器（ MKIDs） 实际上是一个由超导薄膜平面电感和平面电容组成的谐振腔，其谐振频率处于微波波段。当超导电感吸收太赫兹光子后，其表面阻抗产生变化，进而导致谐振腔频率与 Q 因子的变化。通过测量这些变化，可实现对太赫兹信号的探测，典型器件结构和工作原理如图 5 所示。
　　
　　2003 年，JPL / Caltech 研究组首次实验演示了超导动态电感探测器。近年来，太赫兹超导MKIDs 探测器技术得到了快速发展，特别是采用了更为简单的读出复用技术，即超宽带低温制冷低噪声放大器和超宽带高分辨率实时数字频谱仪。太赫兹超导 MKIDs 探测器在 300 mK 温区的灵敏度已达 1 × 10- 18槡W / Hz,也易实现 1k 以上像元大规模阵列。CCAT 太赫兹天文计划（ 美国新十年天文规划推荐项目） 预计将采用太赫兹超导 MKIDs 探测器。除 SCUBA-II 以外，近年来较小规模阵列的超导 MKIDs 探测器系统在一些地面望远镜上进行了初步试验观测[21-23]
　　

　　　

　　在国内方面，中科院紫金山天文台通过与荷兰 TUDelft 大学以及日本理化学研究所（ RIKEN）的合作研究，已开展了关于超导动态电感探测器的相关研究，并已成功研制了 1 024 像元的超导MKIDs 探测器芯片，并初步测试了其在亚 K 温区的谐振特性[24-25]
　　
　   3 太赫兹天文探测技术的发展趋势

       3. 1 太赫兹超导相干探测器高能隙超导材料的引入可以提高超导 SIS 混频器的工作频率，但由于此类超导材料相干长度更短，使得势垒层制备难度增加。另外，由于特征电压的提高，相应地 Jc也需要提高才能确保相对带宽不变。随着高能隙超导隧道结制备技术的提高和新材料的应用，特别是科学应用的推动，预期高能隙超导 SIS 混频技术研究将会得到新的发展。天文观测所需的时间与超导热电子混频器灵敏度的平方成反比。为了观察星系的精细结构，现代的巡天计划要求以很高的角分辨率扫描很大的天区，而太赫兹望远镜的观测效率与接收机波束成正比。与星系与恒星形成相关的许多谱线位于 2 THz 以上的高频段，对这些谱线的高频率分辨率观测将会提供给我们许多新的信息。因此THz 谱线天文观测所需的超导热电子混频器正朝着更高灵敏度、更高频率和多波束方向发展。通过对超导热电子混频器机制的深入理解提高变频效率，同时优化外围的匹配电路和天线耦合结构降低信号的传输损耗，最终研制 2 THz 以上的超导热电子混频器，灵敏度全面突破 5 倍量子噪声极限。解决本振功率分配、直流偏置复用技术和宽中频集成，从而成功研制多波束超导热电子混频器。另外，探索更高临界温度的新超导材料，如FeSeTe,研究其器件制备工艺和器件特性，有望实现更高工作温度下的高灵敏度和高达 10 GHz 的中频带宽，满足将来的空间应用需求。
　　
　　多波束超导热电子混频器的还处于起步阶段，需要突破本振功率分配、宽中频集成和直流偏置复用等关键技术。在本振功率分配方面，平衡混频器可以大大提高本振功率的利用效率。近期紫金山天文台提出的波束分离器阵列实现本振功率分配，将以前单项元超导热电子混频器通过波束分离器透射的信号重新加以利用，继续分配给后续的超导热电子混频器，可以提高本振功率利用率。宽中频集成的最终目标是将低温低噪声放大器与超导热电子混频器在芯片层面集成，减小接收机体积的同时提高可靠性。由于我国在低噪声放大器方面不具有优势，因此中近期的目标是将超导热电子混频器和低噪声放大器分别集成，然后通过宽中频匹配电路实现互联。在直流偏置复用方面，提高超导热电子混频器的一致性，分析高频特性对工作点敏感度，从而通过简单的 2 根偏置线实现所有超导热电子混频器的偏置。