CN111948470B - 在ppms中表征超导tes单光子探测器电阻转变特性的实验装置 - Google Patents
在ppms中表征超导tes单光子探测器电阻转变特性的实验装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种在PPMS中表征超导TES单光子探测器电阻转变特性的实验装置，包括PPMS系统、基座、屏蔽罩和集成滤波器的电路板，所述屏蔽罩、集成滤波器的电路板和待测的超导TES单光子探测器均安装在所述基座上。本发明实验装置中，屏蔽罩在ADR制冷机磁化过程中为正常导体，不影响其正常工作，当去除外部磁场，温度降低到设定温度以下后屏蔽罩进入超导状态，排除PPMS系统中的剩余磁场，从而保证超导TES单光子探测器电阻转变特性的测量精度；同时，低通滤波器在本发明装置中的使用，也能够有效消除电磁干扰对超导TES单光子探测器的影响。本发明实验装置具有安装操作简便、性能可靠的优点，适合推广使用。
Description
技术领域
本发明属于超导单光子探测技术领域，尤其涉及超导相变边缘(Transition edgesensor，TES)单光子探测器表征技术，具体而言是一种在PPMS中表征超导TES单光子探测器电阻转变特性的实验装置。
背景技术
超导TES单光子探测器具有高探测效率和低能量分辨率，在确定光子波长情况下可以区分探测到的光子数目（即具有光子数分辨能力），广泛应用于量子密钥分发、生物成像、精密测量、时变天体观测等科学领域。超导TES单光子探测器由一层超导薄膜（钨膜、钛膜、钛金双层膜等）组成，在极低温（<1K）下电子与声子相互作用减弱，比热降低，因此吸收光子能量后电子温度迅速升高，导致其电阻急剧增加，在恒电压偏置条件下产生电流脉冲并经超导SQUID低噪声放大后读出从而实现高灵敏度信号检测。超导TES单光子探测器的一个关键参数是能量分辨率ΔEFWHM，表征了超导TES单光子探测器可以区分的最小能量间隔，主要由临界温度TC、热容C、温度灵敏度系数α()决定，即。临界温度TC定义为超导TES单光子探测器电阻为正常态电阻（RN）一半时对应的温度。可见准确测量超导TES单光子探测器的电阻转变特性（R-T），从而获得TC和α，对研制高性能器件至关重要。
超导TES单光子探测器的TC一般低于1K，因此需要采用亚K制冷机才能表征其电阻转变特性。目前常用的亚K制冷机有氦三吸附制冷机（如Chase Research的He7）、稀释制冷机（如牛津的Triton 400）和绝热去磁制冷机（如HPD的103 Rainier)。氦三吸附制冷机最低温度约为250 mK，稀释制冷机和绝热去磁制冷机可以达到100 mK甚至更低的工作温度。
将超导TES单光子探测器安装到制冷机最低温冷级，并采用四线法测量其电阻随温度的变化曲线（R-T）是目前最常用的测量方法。一次完整的实验需要经过如下的过程：拆开制冷机杜瓦、安装样品、封装杜瓦、抽真空、初级制冷到约4K、次级制冷到最低温、测量电阻随温度变化曲线、回温等。一个冷热循环下来少则需要2~3天，多则1个星期，既费时又费力。为了加快测量速度，一次实验可以安装并测量多个样品，但是依然免不了拆装杜瓦及升降温等复杂而漫长的过程。美国Quantum Design公司推出了一款无液氦综合物性测量系统PPMS Dynacool，配置绝热去磁ADR制冷机，可以将样品室温度降低到约100mK，能够通过直流电输运选件表征超导薄膜和探测器的电阻转变特性，大大加快研制探测器的效率。但是发明人在实验中发现该系统中存在电磁干扰和剩余磁场，很容易使超导TES单光子探测器全部或者部分失去超导特性，很难获得精确的R-T曲线。
发明内容
本发明的目的是，针对现有技术存在的问题，提供一种在PPMS中表征超导TES单光子探测器电阻转变特性的实验装置，克服PPMS中电磁干扰和剩余磁场对探测器的影响，提高在PPMS中实验超导TES单光子探测器所获得研究结果的精确度。
为达成上述目的，本发明提供的技术方案为：
一种在PPMS中表征超导TES单光子探测器电阻转变特性的实验装置，包括PPMS系统（综合物性测量系统），其特征在于，还设有基座、屏蔽罩和集成滤波器的电路板，所述屏蔽罩、集成滤波器的电路板和待测的超导TES单光子探测器均安装在所述基座上；
所述基座采用无氧铜加工而成，安装在PPMS系统绝热去磁制冷机样品室的室壁上，基座表面的中部设有凸台，超导TES单光子探测器安装在所述凸台上；
所述集成滤波器的电路板安装在基座上，每根引线上都集成低通滤波器，电路板中部设有与所述凸台形状适配的通孔，将电路板安装在基座上时，凸台嵌在所述通孔中，电路板上引线的一端键合连接到超导TES单光子探测器的对应电极上，另一端与对应的插针连接；同时，所述基座在对应每个插针的位置设有针孔，插针穿过所述针孔后与PPMS系统测量电路的接线端连接，且针孔的直径大于插针直径，以避免插针与基座碰触；
所述屏蔽罩采用铝合金加工而成，围挡在超导TES单光子探测器的外侧。
在上述方案的基础上，进一步改进的方案还包括：
作为优选，所述针孔的直径设为1~2mm。插针直径一般不大于0.4mm，故针孔直径远大于插针直径，可有效避免插针与基座碰触导致的短路。
作为优选，所述低通滤波器采用截止频率为0.4~1kHz的RC低通滤波器。
作为优选，所述RC低通滤波器的电阻为50~200欧姆，电容为100~1000nF。
作为优选，所述电阻产生的总焦耳热量小于1nW，不会明显影响ADR制冷机的最低温度和持续时间。
作为优选，所述屏蔽罩的临界磁场小于1000高斯，远远低于PPMS系统中的ADR制冷机工作所需的3特斯拉（3T）磁场，因此完全不影响ADR制冷机的正常工作。所述屏蔽罩的临界温度为0.9~1K，当ADR制冷机完成磁化，取消外部磁场温度降低到0.9~1K以下后，屏蔽罩进入超导状态，将所有的剩余磁场排除出去，从而避免影响超导TES单光子探测器的电阻转变特性。
作为优选，所述电路板的每根引线通过铝线键合连接到超导TES单光子探测器的电极上。
作为优选，所述超导TES单光子探测器通过低温胶固定在基座表面。
本发明实验装置的有益效果在于：
1）利用了PPMS综合物性测量系统，可以快速方便地表征超导TES单光子探测器的电阻转变特性，且可避免拆装杜瓦等复杂操作，确保超导TES单光子探测器的研发效率；
2）重要的是，本发明实验装置屏蔽罩在ADR制冷机磁化过程中为正常导体，不影响其正常工作。当去除外部磁场，温度降低到设定温度以下后屏蔽罩进入超导状态，排除PPMS系统中的剩余磁场，从而保证超导TES单光子探测器电阻转变特性的测量精度；同时，低通滤波器在本发明装置中的使用，也能够有效消除电磁干扰对超导TES单光子探测器的影响，尤其是作为优选的RC低通滤波器，制作简单，对ADR制冷机的最低温度和持续时间的影响可以忽略不计。
3）本发明实验装置安装操作简便、性能可靠，适合推广使用。
附图说明
图1是具体实施例中本发明实验装置局部构件的结构示意图。
图2是集成屏蔽罩和滤波器的实验装置与未集成屏蔽罩和滤波器的实验装置，所获得的超导TES单光子探测器电阻转变曲线的对比图。
具体实施方式
为了进一步阐明本发明的技术方案和原理，下面结合附图与具体实施例对本发明做详细的介绍。
实施例1：
如图1所示的一种在PPMS中表征超导TES单光子探测器电阻转变特性的实验装置，包括PPMS系统、基座1、集成滤波器的电路板2和屏蔽罩3等构件。
所述PPMS系统即Quantum design公司的PPMS DynaCool综合物性测量系统，用于提供超导TES单光子探测器4正常工作所需的低温环境，配备绝热去磁制冷机（后文简称为ADR）选件，其最低工作温度约为100mK。
所述集成滤波器的电路板2、屏蔽罩3和待测的超导TES单光子探测器4均安装在所述基座1上。基座1采用无氧铜加工而成，固定在ADR样品室室壁的顶部，以保证超导TES单光子探测器4与ADR同步降温。所述基座1下表面的中部设有一方形凸台，待测的超导TES单光子探测器可采用低温胶（如Vanish或者N Grease）固定在凸台下表面上，以保证与基座1有良好热接触。
所述集成滤波器的电路板2安装在基座1上，基座1和电路板2的四角设有与ADR样品室顶部对应的螺孔，二者通过螺钉固定在ADR样品室的顶部室壁上。电路板2中部设有与基座1凸台形状适配的方形通孔，将电路板2安装在基座1上时，凸台嵌在所述通孔中，凸台下表面与电路板2板体下表面齐平。
所述电路板2的每根引线上都集成了RC低通滤波器22，电路板2上各引线的一端键合连接到超导TES单光子探测器的对应电极上，另一端与对应的插针21连接。所述引线可通过铝线或金线键合连接到超导TES单光子探测器的电极，但由于金线键合的时候要求加热，对键合机要求较高，故本实施例优选材用铝线键合。
所述RC低通滤波器22的电阻R为50~200欧姆，电容C为100~1000nF，截止频率为0.4~1kHz，可有效滤除各种干扰，且电阻R产生的焦耳热量小，不会明显影响ADR的最低温度和持续时间，可以忽略不计。
所述RC低通滤波器22安装在电路板2的下表面，插针21设置在电路板2的背面，即电路板2的上表面。基座1在对应每个插针21的位置设有针孔11，所述针孔11和插针21与样品室顶部的接线端插孔对齐，各插针21穿过所述针孔11后，分别与PPMS系统测量电路对应的接线端连接。且针孔11的直径要大于插针21的直径，以避免插针21与基座1碰触导致的短路。
所述屏蔽罩3采用铝合金（2A12、5A05、6061等型号）加工而成，从下方围包围住超导TES单光子探测器4，通过螺钉固定连接在TES单光子探测器4外围的凸台边缘处。本实施例中，电路板2上集成了低通滤波器的各引线对称设置在电路板2的上下两侧，为了不妨碍电路板2与超导TES单光子探测器4的电连接，屏蔽罩3上下两侧设有过线的敞口。所述屏蔽罩3的厚度一般可设为0.5mm，而所述敞口的尺寸在保证电连接的情况下应尽可能小。所述屏蔽罩3的临界磁场小于1000高斯，远远低于PPMS系统中的ADR制冷机工作所需的3特斯拉磁场，因此不影响ADR的正常工作。所述屏蔽罩3的临界温度为0.9~1K，当ADR完成磁化并取消外部磁场，温度降低到0.9~1K以下后，屏蔽罩3进入超导状态，将所有的剩余磁场排除出去，从而避免影响超导TES单光子探测器4的电阻转变特性。
实施例2：
在实施例1的基础上，本实施例中以下构件的参数设置分别为：
RC低通滤波器22的电阻为100欧姆，电容C为100nF，截止频率为1kHz，100欧姆电阻产生的焦耳热量小于1nW，对ADR的最低温度和持续时间影响极低 。
针孔11直径设为1~2mm（插针21的直径一般为不大于0.4mm），远大于插针21的直径，可有效避免碰触导致短路。
所述屏蔽罩3的临界温度控制在1K。
实验过程：
一、超导TES单光子探测器4的封装过程：
1）在超导TES单光子探测器4的背面均匀涂敷一层Vanish低温胶，将超导TES单光子探测器4置于基座1凸台的正中间并压紧，保证超导TES单光子探测器4与基座1接触良好；
2）将电路板2固定在基座1上，安装到位后，通过键合机将超导TES单光子探测器4的电极，连接到电路板2上对应位置的低通滤波器的引线接线端上；
3）将屏蔽罩3置于基座1的凸台上面，使其完全包围住超导TES单光子探测器4，拧紧螺钉确保屏蔽罩3的位置固定不变；
4）在基座1背面均匀涂敷一薄层N Grease低温胶，并将其置于ADR样品室顶部，使电路板2上的插针21与ADR样品室顶部的插孔对齐，小心翼翼地插入，保证每根引线电连接完好，用螺钉将基座1固定在ADR样品室顶部，使其热接触良好。
二、超导TES单光子探测器的电阻转变特性表征过程：
1）利用插杆将ADR样品室安装到PPMS系统的制冷系统中，确保电接触和热接触良好，利用氦气排除样品室腔体中的空气，并抽到初级真空（约10 Torr），启动初级制冷过程，并设置磁场为3特斯拉；
2）待温度降低到1.9 K，设置真空度为高真空(<1mTorr)，继续降到最低温度（约1.65K）并保持约半个小时，使ADR完全磁化；
3）去掉外加磁场，ADR温度逐渐降低到最低温度，约为100mK，通过PPMS的操作系统设置超导TES单光子探测器4的偏置电流（0.1~1微安），记录超导TES单光子探测器4的电阻随温度变化的曲线；
4）待温度缓慢升高到超导TES单光子探测器4的临界温度以上，通过PPMS的温度控制功能均匀升高到常温（约为300K）；
5）根据记录的电阻随温度变化曲线，计算超导TES单光子探测器的临界温度、转变宽度、温度灵敏度系数以及RRR等参数。
图2为本实施例集成屏蔽罩和低通滤波器的实验装置与未集成屏蔽罩和低通滤波器的实验装置，利用PPMS系统所获得的超导TES单光子探测器电阻转变曲线的对比图。如图2所示，集成屏蔽罩和低通滤波器的实验装置所得获得的曲线更加精确。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种在PPMS中表征超导TES单光子探测器电阻转变特性的实验装置，包括PPMS系统，其特征在于，还设有基座（1）、屏蔽罩（3）和集成滤波器的电路板（2），所述屏蔽罩（3）、集成滤波器的电路板（2）和待测的超导TES单光子探测器（4）均安装在所述基座（1）上；
所述基座（1）采用无氧铜加工而成，安装在PPMS系统绝热去磁制冷机样品室的室壁上，基座（1）表面设有凸台，超导TES单光子探测器（4）安装在所述凸台上；
所述集成滤波器的电路板（2）安装在基座（1）上，每根引线上都集成低通滤波器，电路板（2）中部设有与所述凸台形状适配的通孔，将电路板（2）安装在基座（1）上时，凸台嵌在所述通孔中；电路板（2）上引线的一端键合连接到超导TES单光子探测器（4）的对应电极上，另一端与对应的插针（21）连接；同时，所述基座（1）在对应每个插针（21）的位置设有针孔（11），插针（21）穿过所述针孔（11）后与PPMS系统测量电路的接线端连接，且针孔（11）的直径大于插针（21）直径，以避免插针（21）与基座（1）碰触；
所述屏蔽罩（3）采用铝合金加工而成，围挡在超导TES单光子探测器（4）的外侧。
2.根据权利要求1所述的一种在PPMS中表征超导TES单光子探测器电阻转变特性的实验装置，其特征在于，所述针孔（11）的直径为1~2mm。
3.根据权利要求1所述的一种在PPMS中表征超导TES单光子探测器电阻转变特性的实验装置，其特征在于，所述低通滤波器为RC低通滤波器（22），截止频率为0.4~1kHz。
4.根据权利要求3所述的一种在PPMS中表征超导TES单光子探测器电阻转变特性的实验装置，其特征在于，所述RC低通滤波器（22）的电阻为50~200欧姆，电容为100~1000nF。
5.根据权利要求4所述的一种在PPMS中表征超导TES单光子探测器电阻转变特性的实验装置，其特征在于，所述电阻产生的总焦耳热量小于1nW。
6.根据权利要求1所述的一种在PPMS中表征超导TES单光子探测器电阻转变特性的实验装置，其特征在于，所述屏蔽罩（3）的临界磁场小于1000高斯，临界温度为0.9~1K。
7.根据权利要求1所述的一种在PPMS中表征超导TES单光子探测器电阻转变特性的实验装置，其特征在于，所述电路板（2）的每根引线通过铝线键合连接到超导TES单光子探测器（4）的电极上。
8.根据权利要求1所述的一种在PPMS中表征超导TES单光子探测器电阻转变特性的实验装置，其特征在于，所述超导TES单光子探测器（4）通过低温胶固定在基座（1）凸台的表面。
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| CN107422392A (zh) * | 2017-08-08 | 2017-12-01 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种基于单光子探测的绕角定位与追踪系统及方法 |
| WO2018159656A1 (ja) * | 2017-03-03 | 2018-09-07 | 日本電気株式会社 | 量子鍵配送システムにおける単一光子検出器のタイミング調整方法、装置、および記録媒体 |
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| CN110702220A (zh) * | 2019-09-19 | 2020-01-17 | 天津大学 | 一种中红外波段的超导纳米线单光子探测系统 |
-
2020
- 2020-06-19 CN CN202010564562.4A patent/CN111948470B/zh active Active
Patent Citations (5)
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