Аннотация
Диссертация посвящена вопросам разработки и усовершенствования криогенных детекторов па основе сверхпроводящих термометров. РаССМОТ|Х>НЫ ВОПРОСЫ технологии напыления высококачественных плёнок из вольфрама и алюминия. Предложен метол тепловой обратной связи для повышения линейности, динамического диапазона и стабилизации температуры криогенных детекторов. Показана возможность улучшения их чувствительности и быстродействия с помощью фононного коллектора. Разработаны усилители для криогенных детекторов на основе сверхпроводящих квантовых ИИТ»'рферОМсТ|ЮВ На основе проведённых исследований созданы установки эксперимента СИЕвБТ для поиска ’темной материи” п времялролётвый масс-спектрометр.
Оглавление
Введение 1
1 Криогенные детекторы 12
1.1 Принцип работы ................................................... 12
1.2 Конструкции калориметра........................................... 14
1.2.1 Абсорбер.................................................... 15
1.2.2 Тер?хометр.................................................. 17
1.2.3 Тепловая связь ............................................. 21
1.3 Процессы, протекающие в калориметре............................... 23
1.3.1 Взаимодействие частиц с абсорбером.......................... 23
1.3.2 Прохождение фононов через границу абсорбер-термометр 27
1.3.3 Абсорбция фононов в термометре.............................. 31
1.3.4 АбсорбГчИя частиц термометром............................... 34
1.4 Модель калориметра ............................................... 34
1.4.1 Физическая модель калориметра............................. 34
1.4.2 Модельные уравнения...................................... 37
1.4.3 Выходной сигнал калориметра ............................... 40
1.5 Изготовление калоргшетров......................................... 43
1.5.1 Очистка кристалла........................................... 43
1.5.2 Напыление вольфрамовой плёнки ........................... 41
1.5.3 Напыление плёнки иридий/золото........................... 46
1.5.4 Фотолитография ............................................. 47
ііі
1.5.5 Создание контактных площадок ............................. 47
15 6 Держатель детектора........................................ 48
15.7 Тепловая связь и соединительные провода.................... 49
1.6 Сквид - предусилитель........................................... 49
1.7 Испытание детекторов ........................................... 53
1.8 Детектор CRESSTJ................................................ 55
1.9 Выводы по главе 1............................................... 60
2 Стабилизация рабочей температуры термометра 64
2.1 Факторы, ограничивающие характеристики криогенных детекторов 64
2.2 Электротеиловая обратная связь.................................. 67
2.3 Тепловая обратная связь......................................... 69
2.3.1 Стабилизация рабочей температуры термометра с помощью нагревателя...................................................... 69
2.3.2 Схема криогенного детектора с тепловой обратной связью. 71
2.3.3 Испытания криогенного детектора с тепловой обратной связью ь рефрижераторе растворения Х*1.............................. 73
2.3.4 Испытания криогенною детектора с тепловой обратной связью в рефрижераторе растворения Лаборатории Гран Сассо 78
2.3.5 Сравнение теоі>етической модели о экспериментальными данными ............................................................ 86
2.3.6 Перерегулирование тепловой обратной связи ................ 90
2.4 Конструкции нагревателя......................................... 93
2 5 Выводы но главе 2............................................... 96
3 Повышение эффективности сбора фононов 101
3.1 Принцип работы фононного коллектора............................ 101
3.2 Процессы, ирогпклюїцие в фоношюм коллекторе.................... 102
3.2.1 Абсорбция иетепловьгх фононон н коллекторе............... 102
3 2.2 Рачаксация квнзичастиц................................... 104
3.2.3 Рекомбинация квазичастиц ................................ 106
3.2.4 Диффузия квазичастиц .................................... 108
3.2.5 Захват квазичастиц....................................... 111
3 3 Изготовление фононного коллектора................................ 112
3.4 Экспериментальное исследование диффузии квазичастиц 114
3.4.1 Схема эксперимента ...................................... 114
3.4.2 Результаты эксперименте ................................. 118
3.5 Позиционный детектор............................................ 125
3.6 Выводы по главе 3............................................... 125
4 Криогенные детекторы в эксперименте CRESST 127
4.1 Эксперимент CRESST ............................................. 127
4.2 Уменьшение радиоактивного фона.................................. 131
4.2.1 Источники радиоактивного фона............................ 131
4.2.2 Пассивные методы ослабления радиоактивного фона . ... 131
4.3 Детектор, усилитель и система управление эксперимента CRESST 1137
4.3.1 Криогенный калориметр с абсорбером из сапфира............ 137
4.3.2 Сквид-усшппели........................................... 138
4.3.3 Управление установкой CRESST............................. 140
4.4 Испытание и калибровка детекторов............................... 143
4.5 Первые измерения радиоактивного фона ........................... 152
4.5.1 Результаты измерений..................................... 152
4.5.2 Дискриминация одновременных событии...................... 164
4.5.3 "Двойной11 детектор...................................... 156
4.6 Результаты эксперимента CRESST 1................................ 161
4.6.1 Измерения радиоактивного фона (2000 іх>д)................ 161
4.6.2 Экспериментальный энергетический спектр.................. 162
4 6.3 Область исключения значений массы WIMP .................. 166
4.7 Выводы по главе 4............................................... 166
V
5 Разработка метода дискриминации 172
5.1 Введение....................................................... 172
5.2 Разработка криогенного фотодетектора........................... 173
5.3 Исследование сцигггилляциомных свойств......................... 176
5.4 Дискриминация взаимодействий................................... 180
5.5 Эффективность поглощения света................................. 182
5.6 Детектор эксперимента CRESSTII................................. 183
5.7 Выводы по главе 5............................................... 185
6 Разработка быстродействующего усилителя для КД 18Я
G.1 Ограничения на быстродействие.................................. 189
6.1.1 Скиид-усилители.......................................... 189
6.1.2 Входная цепь............................................. 192
6.2 Модернизация схемы считывания.................................. 193
6.2.1 Модернизация входной пени................................ 194
6.2.2 Модернизация сквид-усилителя............................. 194
6.3 Охлаждаехсые усилители......................................... 202
6.3.1 Сверхироьодниковая-нолх'проводниковая электроника . . . 202
6.3.2 Охлаждаемый предварительный усилитель на основе КМОП операционного усилителя........................................ 203
6.3.3 Охлаждаемый предварительный усилитель на основе арсенид-галлиевого транзистора......................................... 205
6.3.4 Эксперимент и обсуждение................................. 206
6.4 Выводы по главе 6............................................... 207
7 Разработка и применение КД для масс-спектрометрии 209
7.1 Введение. Протео?^ика.......................................... 209
7.2 Химический анализ органических проб............................ 212
7.3 Масс-спсктромстрия с криогенными детекторами................... 215
7.4 Масс-снсктромегр с полупроводниковым детектором................ 221
VI
7.5 Модификация маесчяюктрометре................................... 225
7.5 Разработка быстродействующего детектора........................ 226
7.7 Разработка кркосгата для масс-спектрометра..................... 227
7.8 Подсоединение криостата к масс-спсктромсггру................... 231
7.9 Измерение массы молекул с помощью криогенного детектора . . . 232
7.10 Чувствительность измерений сисктра............................ 244
7.11 Измерение молекул с большой хеассой........................... 250
7.12 Выводы по главе 7............................................. 252
Заключение и выводы 254
Благодарности 259
Список сокращений 261
Список литературы 274
УН
ВВЕДЕНИЕ
1
Введение
1. Актуальность проблемы.
В условиях глубокого охлаждения проявляются квантовые свойства вещества, при обычной температуре маскируемые значительными тепловыми возбуждениями Использование этих свойств позволяет проводить измерения на качественно новом уровне, недостижимом при использовании ’’тра-диционной” техники: регистрировать отдельные частиц и молекулы с малой энергией, снижать общий шум установок и т.д. Также становится возможным применение некоторых физических явлений, присущих ТОЛЬКО области низких температур, например, сверхпроводимости.
Значительным шагом в повышении качества первичных преобразователей стало появление криогенных детекторов (КД). Вероятно, первый КД для ядерпой физики был предложен Симоном в 1935 году |1|. Детектор Симона работал ггри температуре 50 К. Первый КД. работающий при гелиевых температурах, бил описан Дальмаэоном |2]. Его КД охлаждался до 1.8 К и достиг чувствительности 10“* Вт. Позднее независимо несколько групп в США. Европе и СССР начали разработку КД (см., например, ранний обзор 1992 года |31) В настоящее время благодаря усилиям ученых из США, Европы, Японии и СССР (России и СНГ) в этой области достигнуты значительные успехи |4|. Современные КД. изготовленные в условиях университетских лабораторий, по своим характеристикам ид порядки превышают лучшие полупроводниковые датчики, разработанные в промышленных центрах. в которых многие годы вкладывались многомиллиардные инвестиции. КД частиц отличаются высокой чувствительностью и всё чаще используются для регистрации частиц с низкой энергией (начиная от единиц эВ) со сверхвысоким разрешением. Немаловажной является возможность широкого выбора материала абсорбера, что позволяет создавать приборы с
Введение 2
больших« интервалом рабочих характеристик. Еще одно преимущество -высокая чувствительность к нкгкаэнергстичному взаимодействию с частицами и объектами, движущимися с малой скоростью и обладающими малой эффективностью ионизации. Непревзойдённые характеристики делают привлекательным использование криогенных детекторов как в научных исследованиях, ток и в технических приложениях. В настоящее врсх«я криогенные детекторы неё тире используются в экспериментальной и измерительной технике, например, в рентгеновской спектроскопии, экспериментах по поиску тёмной материи и двойного /7-распада, измерению массы нейтрино и в масосгтектрометряи больших молекул (см., например, |5, С. 7|).
Поиск тёмной матерки активно проводится в нескольких экспериментах с целью объяснить отклонения наблюдаемых в астрофизике явлений от закона всемирного тяготения. Такие отклонения могли бы проявляться в случае . например, если большая часть массы Вселенной была бы заключена в ненаблюдаемой обычными способами хеатсрии п форме нейтральных массивных частиц. Теоретически эти частицы и обычное вещество должны взаимодействовать с выделением слабой энергии в диапазоне десятков кэВ. Сигнал от этого очень редкого взаимодействия трудно зарегистрировать обычными методами и детекторами. Особые препятствия создаст радиоактивный фон от обычной материи и космических лучей, интенсивность которога на шесть и более иорядхов выше ожидас?лога полезного сигнала. Таким образом создание криогенных детекторов с высокой чувствительностью и разработка новых методов выделения полезного сигнала от тёмной материи на фоне сильных помех является актуальной задачей-
13 медицине известив связь между изменениями белков, а также их взаимодействий между собой и болезненными СОСТОЯНИЯМИ. При большинстве болезней происходят изменения на белковом уровне. В настоящее время идентификация белков выполняется в основном с использованием метода, носящего название 2-0 РАСЕ (двумерный гель-электрофорез на полиакри-
Введенім
з
ламидс). Этот метод обеспечивает невысокую точность определения массы. Для повышения точности измерений применяются масс-спектромстриче-ские метода. В масс-спектрох«етрах используются полупроводниковые детекторы, неэффективные Для регистрации молекул с большой массой. Эффективность криогенных детекторов не зависит от массы молекул. Следовательно разработка масс-спектрометров на основе криогенных детекторов, позволяющих производить точное измерение массы белковых молекул» также является актуальной задачей.
2. Цель работы. Целью работы являлась разработка новых криогенных детекторов частиц с улучшенными чувствительностью и быстродействием; устройств для преобразования и усиления сигналов; а также создание экспериментальных систем на основе криогенных детекторов частиц и молекул: 1) установки СЯЕЯЗТ для поиска частиц тёмной материн и 2) времялро* леткого масс-спектрометра для идентификации белковых молекул большой массы.
Для установки СНЕвБТ предполагалось:
(a) разработать криогенный детектор с большим объемом и чувствительностью, достаточной для поиска тёмпой материи;
(b) разработать новые методы считывания сигнала криогенною детектора с целью улучшения линейности и динамического диапазона;
(c) разработать новые методы, позволяющие выделить полезный сигнал от частиц тёмной материи на фоне паразитного сигнала, вызванного радиоактивным фоном космических лучей, окружающих конструкций и радиоактивных атмосферных примесей.
Дня масс-спектрометра с криогенных« детектором предполагалось:
(а) разработать и создать криогенный детектор с большой рабочей площадью и высоким быстродействием;
ВВБДВНИР.
4
(b) разработать и создать быстродействующую систему считывания сигнала криогенного детектора;
(c) разработать и создать конструкцию масс-спектрометре.
3. Постановка задач.
(a) Перед разработчиками устройств на основе криогенных детекторов стоят серьезные технологические проблемы. Такие важные характеристики сверхпроводящих материалов, как критический ток /<?, температура сверхпроводящего перехода Тс и удельное сопротивление в нормальном состоянии /?.v, во многом определяются технологией изготовления. Предъявляются высокие требования к чистоте* материала и поверхностей. Даже загрязнение величиной 1 ppm может изменить Тс металлов или даже полностью лшггить их сверхпроводящих свойств. Совершенствование технологии требует детального понимания физических процессов, происходящих в процессе изготовления и работе криогенных приборов. Задачахш исследований, изложенных в первой главе диссертации, в теоретической часта обзорной, было детальное описание процессов, происходящих в крюгемных детекторах и разработка технологии изготовления криогенных детекттдюв.
(b) Характеристики криогенных детекторов (КД) существенно ограничиваются нелинейностью сверхпроводящего перехода и узостью рабоче-iT) диапазона температур (единицы или доли xiK). Задачей исследований, освещённых ъ главе 2, была разработка метода тепловой обратной связи с целыо повышения динамического диапазона, линейности и быстродействия КД
(c) Одним из основных ограничений на характеристики КД является его конечная теплоемкость. Чувствительность и быстродействие КД обратно пропорциональны его теплоёмкости. Фактически, именно для снижения теплоёмкости производят охлаждение КД. Задачами исслс-
ВВЕДЕНИЕ 5
довалий, которым посвящена третья глава, была разработка КД с фо-нонным коллектором, позволяющим уменьшить теплоемкость ощюй in составляющих КД - сверхпроводящего термометра.
(d) КД из-за их непревзойдённых характеристик широко применяются в фундаментальной физике. Задачей работ, описанных и четвёртой главе, было создал не, испытание и усовершенствование установки экс-псримсита CRESST, использующей криогенные детекторы для поиска сигнала от тёмной материи. Эксперимент проводится е целью объяснения таких астрофизических явлений, как линзированис удалённых галактик и несоответствие законам Кеплера распределения скорости орбитального вращения звёзд в галактиках.
(e) Задачами исследований, которым посвящена пятая глава, была разработка метода дискриминации ядерных и сбилочечиых взаимодействий в материале абсорбера КД с целью снижения радиоактивного фона, наблюдагхеого в экспериментах по поиску темной материи.
(f) Для использования в масоспсктромстрии необходимо было создать КД с высоким быстродействием и большой рабочей площадью. Этим и другим задачам, связанных! с применением КД в масс-ччпектрометрии, посвящены исследования, результаты которых изложены в главах 6 и 7.
4. Научная новизна.
(a) Разработан новый метод тепловой обратной связи, позволяющий стабилизировать температуру детектора, увеличить линейность к повысить разрешение.
(b) Впервые проведена апробация метода дискриминации фоновых событий с помощью сегментированного детектора.
(c) Разработан новый метод дискриминации ядерных и оболочечных событий с помощью одновременного измерения фонониого и фотонного откликов абсорбера.
ВВЕДЕНИЕ
6
(d) Разработан новый позиционный детектор на основе двух сверхпроводящих термометров и фононного коллектора.
(e) Впервые разработан масс-спектрометр для намерения массы больших молекул с криогенным детектором со сверхпроводящим термометром в качестве стон-детектора.
5. Практическая ценность.
(a) Впервые создан криогенный детектор с массой абсорбера 262 г и разрешением 133 эВ для фотонов энергией 1,5 кэВ. Детектор обладает рекордным отношением разрешение/масса 0,5 эВ/г.
(b) Впервые создан усилитель для криогенного детектора на основе двойного сквида. Усилитель имеет полосу пропускания 2 МГц и slew rnte
2 • 10* Фо/с.
(c) Впервые исследованы ецннтилляцконные евоПства кристаллов i-epманата висмута ВчСъОп (BGO), флуорида бария BaFi, вольфрамате свинца PbWOt и вольфрамата кальция CaWO* при температуре 12 мК.
(d) Впервые создан криогенный фотодстектор на основе сверхпроводящего термометра. Криогенный фотодстектор способен регистрировать СЦИНТИЛЛЯЦИЮ кристалла вольфрамати кальция Са\\'Ол при облучении 7-чаетицамн. Для 7-частиц е энергией СО кэВ энергия сцинтилляции составила 480 эВ, при этом криогенный фотодетектор показал разрешение 100 эВ.
(e) Впервые создан криогенный детектор тёмной материи, позволяющий отделять ядериые и оболочечные события с точность 99,7 % для событий с энергией выше 15 кэВ.
(І) Впервые создан криогенный позиционный детектор на основе двух сверхпроводящих термометров и фононного коллектора. При длине
Введение
7
2 мм лилейное разрешение детектора составило 50 мкм, что соответствует разрешению 40-пиксельного детектора.
(g) Впервые создан криогенный молекулярный детектор на основе сверхпроводящего термометра. По сравнению с использовавшимися ранее криогенными молекулярными детекторах«!! на основе свсрхпроводя-щего туннельного перехода разработанный детектор имеет в ООО раз большую площадь. Он позволяет регистрировать ионные пучки с интенсивностью на 3 порядка меньше, чем детекторы на основе сверхпроводящего туннельного перехода.
(Ь) Впервые создан времяпролётный масс-спектрометр с криогенным молекулярным детектором на основе сверхпроводящего терхю?^етра в качестве стоп-детектора. Замена полупроводникового СТОП-детектора на криогенный молекулярный детектор позволила на три порядка увеличить чувствительность МС
(i) Впервые использован охлаждаемый ионный отражатель в \!асс-епек-трометре. Применение охлаждаемого ионного отражателя позволило снизить теплоприток из анализатора масс-спектрометра па криогея« ный молекулярный детектор и сделало возможным охлаждение криогенного молекулярного детектора до рабочей температуры (около 50 мК).
(j) Впервые создан усилитель для сквида на основе охлаждаемого КМОП-усилителя, работающего при гелиевой техшературе. Усилитель позволяет увеличить диапазон линейности сквида но входу в 10 раз.
б. Апробация работы. Результаты работы докладывались:
(a) на 18-о?4 между народнох! семинаре по прикладной сверхпроводниковой электронике и биомагнетизму (Украина, Жукин, 1995),
(b) на IS-ой и 16-ой международных конференциях по криогенике (Италия, Генуя, 1994. и Япония, Китвкюшу, 19%),
Введение 8
(с) на 3-ем симпозиуме но низкотемпературной электронике и высокотемпературной свсрхщюводимосги (США, Рино. 1995),
(<1) на 4-ой и 7-ой международных конференциях но технологии низких температур (Чехия, Прага, 1996 и 2002 гг),
(е) на 21-оП и 22-ой международных конференциях но физике низких температур {ЬТ21, Чехия, Прага, 1996, и 1Л'22, Эспоо и Хельсинки, Финляндия, 4-11 августа 1999),
(0 на международных конференциях но сверхпроводящей электронике (/5ЕС’97, Германия, Берлин, 1997. IЯ ЕС'99, США, Беркли, 1999 к ІЬ'ЕС’01, Япония, Осака, 2001),
(в) на 3-ем совещании но низкотемпературной электронике (\VOLTE.У, Италия. Сан-Миниато, 1997),
(Ь) на 3-сй европейской конференции по прикладной сверхпроводимости {ЕиСАЯ’97, Нидерланды, Эйндховен, 1997),
(і) на 2-ом международном совещаиии по поиску темной материи (Великобритания, Ваксгон, 1998),
(І) на симпозиуме но мик|ю и нанокриогашке (А/АГС, Финляндия, Явас-кула, 1999),
(к) на 8-ом международном совещании по низкотемпературным детекторам (Нидерланды, Дальфсеп, 1999).
(I) на 6-ом совещании по сверхпроводящей электронике {Нидерланды, Тценте, 2000),
(т) на 4-ой и 5-ой между на {юдн ы х симпозиумах по источникам и детекти рованию темной материн и тёмной энергии во Вселенной (Марина Дел Реп, Калифорния, США, 2000 и 2002),
(п) на 32-ом совещании по физике низких температур (ФНТ-32, Россия, Казань, 2000),
Введение
9
(о) на конференции но космологии и физики частиц (САРР 2000, Швейцария, Всрбнер, 2000),
(р) на 3-ей международной конференции но идентификации тёмной материи (IDM2000, Йорк Минстер, Великобритания, 2000),
(q) на совещании по физике сверхпроводящих детекторов (SDP-2001, Япония, Токио, 2001),
(г) на iv-ой. 10-ой и 11-ой конференциях по физике низкотемпературных детекторов {LTD-8, Нидерланды, Далфссн, 1999, LTD-10, Италия, Генуя, 2003, и LTD-11, Япония, Токио, 2005),
(я) на 13-ой международной конференции но биомагнетизму {BI0MAG 2002, Германия, Йена, 2002),
(t) на конференции Немецкого Общества холодильной техники и техники кондиционирования (Deutsche Kälte- und Klimatechnischer Verein e. V.), Германия, Магдебург, 2002).
(u) на европейском семинаре по кубитам я-Shtft (Германия, Йена, 2003),
(v) на 7-ой международной конференции по неорганическим сцинтилляторам и их промышленному применению (SCINT2003, Испания, Валенсия, 2003),
(w) на конференцях Немецкого физического общества (DPG-2000, Германия, Риндбсрг, 2000, DPG-2002. Германия, Регенсбург, 2002, DPG-2Q05, Германия, Берлин, 2005),
(х) на 9-ом международном симпозиуме “От Андреевского отражения к ранней Вселенной" (Швеция, Бьорклиден, 2005),
(у) на международном симпозиуме по крнсолектроиным компонентах» KRYO-2006 (Германия, Йена/Габсльбах, 2006),
(г) на научных семинарах в Лаборатории нейтронной физики и Лаборатории физики частиц Объединённого института ядерных исследований
Введение
ю
(Дубна, Россия), Томском Политехническом университете (Томск, Россия). Институте физики Макса Планка (Мюнхен, Германия), Оксфордском университете (Оксфорд, Великобритания), отделе сверхпроводимости фирмы Oxford Instruments (Кембридж. Великобритания), Институте физики высоких технологий {Йена, Германия), Дрезденском университете (Дрезден, Германия), Дрезденском институте полимеров (Дрезден, Германия), Институте полупроводников (Киев, Украина), Аугсбургском университете (Аугсбург, Германия), Мюнхенском Техническом университете (Гархинг, Германия), Университете Райерсона (Торонто, Канада), фирме D-Wave Systems Inc. (Ванкувер, Капала), фирме CSP (Изхсаяпнг, Гсрхсания), фирме ARKeX (Кембридж, Великобритания), фирме MDS SCIEX (Конкорд. Канада), Лаборатории Камер лиг Оннеса (Лейден, Голландия), фирме Laden Cryogenics (Лейден, Голландия), Национальном институте ядерной физики и физики высоких энергий (Амстердам, Голландия).
7. Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 58 публикациях.
8- Вклад автора. Автору принадлежит определяющая роль в постановке задан. планировании и постановке экспериментов, анализе п интерпретации результатов, представленных в работе.
9. Структура н объём работы. Диссертация состоит га введения, семи глав, заключения, двух приложений и списка литературы. Работа изложена на 303 страницах и содержит 125 иллюстраций и 25 таблиц.
10. На защиту выдвигаются:
(а) истод тепловой обратной связи, позволяющий стабилизировать температуру криогенного детектора, увеличить линейность и повысить энергетическое разрешение;
Введение 11
(b) метод дискриминации ядерных и обо.чочечных событий посредством одновременного измерения фононного и светового отклика абсорбера и последующего исключения совпадающих сигналов;
(c) новый криогенный детектор на основе сверхпроводящего термометра с фоконным коллектором. Применение фононного коллектора позволяет ь десятки раз уменьшить теплоемкость термометра неответственно, повысить чувствительность детектора. За счёт более эффективного поглощения поперечных фононов фонониый коллектор позволяет уменьшить потери энергии в абсорбере;
(d) новый криогенный позиционный детектор па основе двух сверхпрово-дягцих термометров и фононного коллектора;
(e) новый криогенный фотодегектор ка основе сверхпроводящее термометра;
(f) метод дискриминации ядерных и оболочечных взаимодействий, заключающийся ь одаоврехіеином измерении фононного и светового сигнала;
(g) новый врсмяпролётньсй масс-спектрометр, в котором в качестве стон-детектора используется криогенный детектор œ свсрхпроводягщш тер-момстром.
Глава 1
Криогенные детекторы
Первая глава посвящена разработке и усовершенствованию технологии к> готовления криогенных детекторов со сверхпроводящим ТСрМОМСТ|Х»М. Описаны принцип работы криогенного детектора (КД}> влияние основных конструктивных составляющих на его ха|ша«ристики. Разобраны процессы, щхлекнющие в КД. Приведены способ изготовления и испытания КД.
1.1 Принцип работы
Для регистрации частиц в экспериментальной физике и технике широко используются калориметры. Калориметр - инструмент для определения количества тепла, образующегося (поглощающегося) при химическом или физическом процессе. Низкотемпературные калориметры, как и калориметры в физике высоких энергий, служат для определения энергия частиц. При соударении с частицей или абсорбщссй фонона поглощённая абсорбером энергия Д Е ведет в простейшем случае к повышению температуры калориметр ДТ:
Д Т = Д Е/С9
(1.1)
12
Глава 1. Криогенные детекторы
13
КАЛОРИМЕТР
с,дт
о
Тепловая ванна 1 Т
в
Рис. 1.1: Блок-схема калориметра. ДА’- энергия, поглощенная калориметром. С- теплоёмкость калориметра, Тп~ темпеїяітура тепловой планы. ()с>- тепловая проводи-жиль у.ежду калориметром и тепловой ванной, ДЇ- изменение температуры калориметра-
где <7- теплоёмкость всех составляющих калориметра.
Впоследствии тепловая энергия переходит и тепловую вшшу через тепловую проводимость С}с (рис. 1.1).
При температурах значительно ниже температуры Дебая 0/> и температуры Ферми Ту теплоёмкость тел можно представить формулой |8|:
С = Се + СР = упека (^г) + 2£пАк0 )3 - 7Г + Ас'Ґ, (1.2) где С, и Ср- электронная и фононная составляющие теплоёмкости, п< и пл-
Глава 1. Криогвнныв дбтвкторьі 14
число электронов и атомов решётки в одном моле материала, kg- постоянная Больцмана, Т— температура термометре, 7>— температура Ферми, 0л- температура Дебая, 7 и Ас- постоянные материалов.
При гелиевых и более низких температурах калориметры обладают очень малой теплоёмкостью и поэтому имеют высокую чувствительность к малой поглощённой энергии Д Е.
Проведённые эксперименты показали, что простая формула (1.1) не может объяснить выходную форму сигнала калориметра |9|. Наиболее важные факты, которые она не может описать, заключаются в следующем:
1. В чистом кристалле при низкой температуре (ПТ) высокочастотные фоно-ны, образущиеся при взаимодействии кристалл-частица, имеют относительно большую продолжительность жизни (более 1 мс);
2. Высокочастотные фоконы абсорбируются электронами плснки-тсрмомстра намного эффективнее, чем поглощаются в абсорбере;
3- Тепловое сопротивление Капицы при ПТ велико и температура электрон-ной системы термометра может сильно отличаться от фоногпюй температуры термометра и температуры абсорбера.
Из этою следует, что если отвод тепла в тепловую ванну происходит достаточно быстро, то абсорбируемая энергия АЕ расходуется на повышение температуры электронной системы термометра с теплоёмкостью Сс на величину АТ . Абсорбер при этом щжктичсски не участвует в тепловых процессах. Благодаря этому можно увеличивать массу абсорбера практически без потери энергетической чувствительности.
1.2 Конструкция калориметра
Существует несколько типов низкотемпературных калориметров, одному из
Глава 1. Криогенные дыгекторы
Тепловая связь
Плёнка-
термометр
{ \
Т=16мК
I
Кристалличес
абсорбер
1
Фононы
6 кэВ фотон
Рис. 1.2: Низкотемпературный калориметр со сверхпроводящим термометром.
них, калориметру со сі>ерхііроіюдя!ішм термометром, посвящена предлагаемая работа. Такой калориметр состоігг из трёх основных частей: кристаллического абсорбера, сверхпроводящей плёнки-термометра и тепловой связи с тепловой ванной {в случае вольфрамового и некоторых других термометров роль этой связи выпоняст золотая проволока между тсрмомет|юхі и держателем) (рис. 1.2).
1.2.1 Абсорбер
В качестве абсорбера для массивных детекторов используются диэлектрические кристаллы (в отличие от микрокалорн метров, см., например, (10)). У нееверхпроводяших металлических кристаллов при низких температурах доминирует электронный вклад и теплоёмкость С. поэтому их теплоёмкость велика и использовать такие абсорберы не имеет смысла. Кристаллы из стюрхщюводни-
Глава 1. Криогенные детекторы 16
ков (в них роль переносчиков энергии выполняют не фононы, а кввзичасткцы) также не могут быть применены из-за малой длины диффузии квазичастиц (см. главу 3).
К кристаллам предъявляются высокие требования по чистоте, отсутствию остаточных напряжений и дефектов, качеству поверхности граней. Невыполнение этих требований приводит к потерям высокочастотных фононов внутри кристалла и на его поверхности. Как показали исследования, промышленно изготавливаемые кристаллы волъфрам&та кальция, кремния и сапфира обладают достаточно хорошими свойствами для их использования в КД. Эти кристаллы были выбраны в качестве материала абсорбера
При напылении плёнок вольфрама и иридия, основных материалов разработанных термометров, материал абсорбера нагревается до температуры 500-г600 С. Для того, чтобы избежать взаимоднффузии атомов кристалла и металла, температура плавления кристалла должна быть намного выше Сапфир (Akfy) имеет температуру плавления 2310 К и ооответ<гтвуег этим требованиям.
При использовании детектора! для регистрации слабого сигнала от ’Чёмиой” материи (в частности, в эксперименте CRESS7\ гм. гл.4) к материалу* абсорбера предъявляются дополнительные требования. Для эксперимента имело особое значение, что:
1. В кристалле сапфира отсутствуют радиоактивные изотопы {изотопы 16 О,
17 0% lS0, 27 А1 - стабильны);
2. ИЗОТОП 27А1 ИМССТ ОТЛИЧНЫЙ ОТ НуЛЯ СПИМ (5/2), ЧТО ПОЗВОЛЯЕТ |ЖГИСТ'рИ)К>-вать спшнэаъисимое обменное взаимодействие WIA4P:
3. Сапфир имеет высокую температуру Дебая {1040,8 К), чго определяет малую теплоемкость при низких температурах и высокую скорость звука в кристалле;
4. Сапфир не гигроскопичен;
Глава і. Криогенные детекторы
17
5. Сапфир не сублимирует в вакууме;
6. Высокочастотные фонолы в сапфире равномерно распределяются в кристалле за ко]кугкое время.
Сапфировые кристаллы были выбраны как материал абсорбера для первого этапа эксперимента СЯЕ55Г и проекта Ргоіеот, оппсапых в главах 4 и 7 диссертации.
1.2.2 Термометр
В калориметре предложено использовать сверхпроводящий термометр, принцип действия которого основан па сильной температурной зависимости сопротивления металлической плёнки в диапазоне её сверхпроводящего перехода. Плёнка нанежится методом вакуумного распыления, имеет толщину 50-г200 нм и площадь от единиц мкм2 до нескольких см2. Во время измерений температура калориметра поддерживается в диапазоне сверхпрэводящего перехода термометра, где небольшое изменение температуры АТ ведёт к резкому изменению сопротивления термометра Д Птн (рис. 1.3). Для небольших АТ можпо записать:
д Чтн = ^ЛТ- (1.3)
Учитывая (1.1), можно скачать, что изменение сопротивления пропорциональ-но депонированной энергии, т.с. Д/?гн ~ АН. Чем выше градиеігг дІЇ/ОТ, гем выше чувствительность термометра. Однако при этом уменьшается динамический диапазон измеряемой энергии АН, т.к. уменьшается ширина сверхпроводящего перехода.
Из (1.1) следует, что выходной сигнал обратно пропорционален теплоемкости термометра:
С'шсї-М.
(1.4)
Глава і. Криогенные детекторы
18
X
сГ
1
I
а.
с
О
. /
! Нормальным \| с гл. 1-і і
1
Сверхпроводник | ►
-Н-
ДТ
Температура Т
Рис. 1 3: Сверхпроводящий переход 'термометра.
Здесь с}'- удельная теплоемкость материала термометра, а М- его масса. Заданная в конкретном эксперимент необходимая чувствительность определяет максимальную рабочую температуру термометра. Например, согласно грубым опенкам, для эксперимента СЯЕвЗТ (см. гл.4) максимальная рабочая температура 25 мК, для проекта Ргоіеот (см. гл.7) - 150 мК. Существует небольшой выбор материалов, переходящих в сверхпроводящее состояние в этом температурном диапазоне:
1. Элементарные мстгаллы: вольфрам (л—вольфрам с обьёмно*центрированной кристаллической решёткой, Тс = 15 мК), бериллий (Тс = 26 мК) и иридий (Тс =112 мК).
2 Сверхпроводящие плёнки из сплавов. Напыление таких плёнок - сложный и плохо воспроизводимый процесс.
3. Двухслойные плёночные структуры сверхпроводящий/нормальный металл (полупроводник). За счёт эффекта близости такая структура может обладать сверхпроводящими свойствами. Более того, изменяя соотношение тол-
Глава 1. Криогенные детекторы
щии пленок, можно создавать термометр с заданной Тс.
19
Хорошо изучены следующие двухслойные структуры:
1. Ллюмшшй/ссрсбро (см., например (И)), ^га структура широко используется в КД, т.к. технология её изготовления наиболее проста. Она позволяет получать температуру егюрхиронодящего перехода о диапазоне 50 мК-И,2 К.
2. Ниобий/кремний. При использовании ЭТОЙ структуры можно получить Тс > 60 мК (см., например [12]).
3. Иридий/золото с 7Ь ~ 30 *-110 мК. Исследования показали, что, по с|хш* нению с друпгмц двухслойными материалами, чч^ижстр па основе структуры иридий/золото обладает важным преимуществом - долговременной стабильностью характеристик.
Основными материалами разработанных 1ч:рмомстрои являются а- вольфрам, иридий и двухслойная структура иридий/золото. Эксперименты г бериллием не проводились из-за его токсичности.
В интересующем нас диапазоне температур у металлов, находяощхся в нормальном состоянии, доминирует электронная составляющая теплоёмкости С,. И таблице 1.1 представлены основные параметры применяемых материалов.
Глава 1. Криогенные детекторы 20
Таблица 1.1 Характеристики материалов, используемых при изготовлении термометров ( |8|, кроме укачанных отдельно).
Характеристика Вольфрам Иридий Золото Алюминий
Тем пература сверхпроводящего перехода, К 0,015 |131 0,112 - 1,175 [14]
Температура Ферми, К [15| 27000 63900 134900
Скорость Ферми, м с-1-Юй 2,00 [16] 0,30 1,40 |14| 2,03 [14]
Температура Дебая, К 405 [17] 430 [14] 165 |17] 428 [16]
Удильная электронная теплоёмкость, чДж/(моль-К2) 0,9 |16| 3,3 0,729 |18| 1,35(16)
В соответствии с теорией Бардина-Купера-Шриффера (БКШ). для сворхпро водников наблюдается скачок теплоёмкости в районе сверхпроводящего перехода |19|. Величина скачка определяется формулой Рутгерса |20|:
1(^)1- М>
где С$ и СдГ— теплоёмкости В сверхпроводящем И нормальном СОСТОЯНИИ, Нет-критическое магнитное поле. Относительная величина скачка |21) равна:
^^=1,43. (1.6)
Ниже Тс электронная теплоемкость уменьшается с температурой по экспоненциальному закону:
Сг.« уГсаехр -
(1.7)
Глава I. Криогенные детекторы
21
ГДС *уТ(7“* удельная электронная теплоёмкость металла в нормально»! состоянии при температуре Тс, а « 10. Ь ъ 1,5 |21|.
В данных исследованиях использовался резистивный режнх< работы терхсо-метра, когда его температура поддерживался в диапазоне сверхпгюводящсго перехода. В лилейном приближении и диапазоне узкого сверхпроводящего перехода теплоемкость хсожно выразить через сопротивление 119}:
где С\Гр- теплошкость пленки при рабочей температуре; и /?\~ сопротивление тп>мо?.<етра при рабочей температуре и п нормальном состоянии; 1 ~ Лчі'р//^\*— часть плёнки, находящейся в норхеальном состоянии
1.2.3 Топловая связь
Тепловую связь термометра с тепловой ванной можно создать различными способами. Нинболее часто иепользоіуиіась золотая проволока, с одной стороны приваренная к термометру, а с другой - к держателю, служащему тепловой ванной. Теплопроводность проволоки определяет режим работы детектора. При слабой -тепловой связи детектор работает в калориметрическом режиме, измеряя энергию входного сигнала; при сильной связи выходкой сигнал детектора опреде-ЛЯЄТГМ ВХОДНЫМ ПОТОКОМ энергии. ЭТОТ рОЖИМ называется 6олОМЄТрНЧЄСКИХ{. Тсн-лопрюводкоеть проволоки можно определить экспериментально, используя закон Видемана-Фраица (22):
где С- постоянная Ло[>енца, 24,46 нВтОхе/С“2; ЛЛи~ электрическое сонротив-лснис проволоки. Поток тепла через тепловую связь равен:
(1-8)
Т
Сам = С——,
*4«
(1.9)