JP2021504934A - 極低温マイクロ波分析装置 - Google Patents

Abstract

マイクロ波放射線の検出器は、信号入力（４０１）および検出器出力（４０２）を含む。オーム導電性の吸収体素子（４０４）は、超伝導体の第一の長さ（４０５）を介して前記信号入力（４０１）に結合される。インピーダンスが温度の関数として変化するように構成された可変インピーダンス素子（４０６）は、超伝導体の第二の長さ（４０７）を介して検出器出力（４０２）に結合される。また、超伝導体の第三の長さ（４１０）を介して加熱入力（４０８）に結合された加熱入力（４０８）および加熱素子（４０９）がある。吸収体素子（４０４）、可変インピーダンス素子（４０６）、および加熱素子（４０９）は、超伝導体の前記第一の長さ（４０５）、第二の長さ（４０７）、および第三の長さ（４１０）のいずれよりも短い長さの超伝導体区間部を介して互いに結合される。【選択図】図４

Description

本発明は、マイクロ波周波数における電磁エネルギーの検出および測定の分野に関する。特に、本発明は、極めて小さな大きさのマイクロ波信号を検出することができる超高感度検出器の構造および装置に関する。

受信電磁放射線の超高感度検出方法は、熱量測定およびボロメトリを含む。熱量計は、検出器素子の瞬間的に増加した温度が、周囲の熱浴の温度に向かって指数関数的に減衰する装置である。ボロメータは検出器素子および熱浴を有するが、そのアプローチは、単一光子の正確なエネルギーではなく、パワー（経時的なエネルギー）、すなわち入射光子の平均フラックスを測定することである。

図１の概略図は、熱量計およびボロメータの双方に適用可能なものである。入射放射線１０１は、吸収体１０２に吸収され、その結果、吸収されたエネルギーは、検出器素子１０３を加熱し、その熱容量はＣである。吸収された熱エネルギーは、その後、ある熱伝導率Ｇを通してヒートシンクまたは熱浴１０４で失われる。測定装置１０５は、絶対値としての検出器素子１０３の温度、および／または温度の変化率のような関連する量のいずれかを検出して、測定するために使用される。

ボロメータが入射信号のパワーの変化に「追いつく」ためには、その変化は、本質的にＣ／Ｇであるシステムの熱時定数と比べて、緩やかでなければならない。すなわち、ボロメータが急速な変化を敏感に感じるようにするためには、Ｃが小さく、Ｇが大きいことが必要である。その一方で、システムの雑音等価電力に対する熱力学的下限は、４×ｋ_Ｂ×Ｔ^２×Ｇの平方根に比例する。ここで、ｋ_Ｂはボルツマン定数であり、Ｔは熱浴の温度である。したがって、雑音を低く抑えるためには、Ｇを小さくし、Ｔを低くする必要がある。

図２は、既知の超高感度ボロメータの概略図である。検出器素子は、オーム導電性であり、かつ低温でも本質的に超伝導にならない微小な長さの材料を備える。このいわゆる常伝導体は、例えば、金パラジウム合金で作ることができ、検出器構造においては、いわゆる長区間部２０１と短区間部２０２とを備える。この構造体は、超伝導体パーツ、すなわち、検出器が動作するために冷却される温度で超伝導になるアルミニウムまたは他の金属のような材料で作られたピースも備える。超伝導体パーツは、長区間部２０１の一端に結合された入力区間部２０３と、短区間部２０２の一端に結合された出力区間部２０４とを備える。ブリッジ区間部２０５は、常伝導体を横切って配置され、その長さを長区間部２０１と短区間部２０２とに分割する。ブリッジ区間部２０５の一端は、容量結合を介して接地される。上記に列挙した全ての区間部は、熱浴２０６内に封入されている。

短区間部２０２は十分に短く、その両端で超伝導体区間部によって結合され、その結果、熱浴の低温では近接効果によって弱い超伝導性になるが、長区間部２０１はほとんどそのオーム導電性を保持する。また、短区間部２０２は、タンク回路の一部を構成するので、タンク回路内のそのインピーダンス（これは、前記弱い超伝導性のため、温度に強く依存する）は、タンク回路の共振周波数に大きな影響を及ぼす。入射マイクロ波信号は、長区間部２０１を加熱し、その結果、短区間部２０２でも対応する温度上昇が生じる。共振周波数測定回路２０７は、結果として生じるタンク回路の共振周波数の変化を測定し、その結果、共振周波数測定回路２０７の出力から、入射マイクロ波信号のパワーが明らかになる。

図３は、図２の原理の変形例を示す。図２との相違点は、図３において、検出器素子が、多数の短区間部３０１、３０２、および３０３を含むことである。これは、リニアにしなくても測定回路のインピーダンスを増加させるのに役立つが、一般的な動作原理は図２と同じである。

図２および図３の検出器は、極めて高感度であるが、それらの較正に関連する課題を伴う。製造プロセスにおける非常に小さな変動によって、測定応答に著しい不確実性が導入される。基本的には、いくつかの既知のマイクロ波放射線源を用いて、製造された各ボロメータを個別に較正することが可能であるが、必要な基準信号を必要な精度でマイクロ波周波数上に生成することは困難であり、かつ高価である。

公知の高感度ボロメータを説明している先行技術文献には、例えば、特許文献１および特許文献２がある。

フィンランド国特許発明第１２２８８７号明細書 米国特許第９２５５８３９号明細書

本発明の目的は、マイクロ波放射線を極めて高い感度で、較正を比較的に容易にして、検出するための検出器および検出器装置を提供することである。本発明の別の目的は、検出器素子の熱容量を著しく増加させることなく、マイクロ波放射線の検出器を較正するための方法およびデバイスを提示することである。本発明のさらに別の目的は、製造プロセスにおいて避けられない変化量が、製造された検出器の感度および精度を損ねることのないようにして、上述の種類のマイクロ波放射線の検出器を提供することである。

本発明のこれらおよび更なる有利な目的は、検出器内に、検出器の他のパーツに十分に密接に結合される加熱素子を設けて、ホットエレクトロン効果を利用することができるようにすることによって、また同時に、準粒子熱輸送によって運ばれる漂遊熱（ｓｔｒａｙ ｈｅａｔ）伝達を遮断するのに十分な長さの超伝導リード線を使用することによって達成される。

一実施形態によるマイクロ波放射線の検出器は、検出器を対象とする独立請求項に記載の特徴によって特徴付けられる。

一実施形態によるマイクロ波放射線の検出器装置は、検出器装置を対象とする独立請求項に記載された特徴によって特徴付けられる。

添付の図面は、本発明のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書の一部を構成し、本発明の実施形態を例示し、説明とともに本発明の原理を説明するのに役立つ。

熱量計またはボロメータの公知の原理を示す。 公知のボロメータの検出器素子を示す。 別の公知のボロメータの検出器素子を示す。 一実施形態による検出器を示す。 フィルタの使用示す。 一実施形態による検出器における接続の一例を示す。 検出器装置を示す。

図４は、マイクロ波放射線の検出器４００を示す。検出器は、信号入力４０１と検出器出力４０２とを含む。信号入力４０１は、信号入力伝送線を使用して、測定すべき信号を検出器内に結合することができる接続である。検出器出力４０２は、検出器を測定回路に結合することができる接続である。一実施形態によると、測定回路は、共振測定回路４０３である。

検出器は、マイクロ波周波数でオーム導電性を示す吸収体素子を含む。図４において、吸収体素子は、検出器が動作のために冷却される温度で本質的に超伝導にならないオーム導電性材料製の長区間部４０４である。吸収体素子の材料として、対象とする周波数でオーム導電性が観察される限り、ＤＣに対して弱い超伝導性となる材料を使用することができる。高周波光子は、（弱い）超伝導材料のクーパー対を破壊することもあり、それゆえ、吸収されることもある。

吸収体素子を製造するための適切な材料の例は、例えば、金とパラジウムの様々な合金であるが、銅のような他の金属も、グラフェン、カーボンナノチューブ等のような非金属材料さえも使用することができる。長区間部４０４の長さは、６００〜１０００ｎｍのように、数百ｎｍのオーダーであってもよく、その幅および厚さは、マイクロリトグラフィー方法を用いて確実に製造され得る限り小さくてもよい。本明細書の記載時に、これは、厚さが数ｎｍ〜数十ｎｍのオーダーで、幅が数十ｎｍのオーダーであることを意味する。

吸収体素子は、超伝導体の第一の長さ４０５を介して信号入力４０１に結合される。材料が超伝導体であると呼ぶことは、検出器が動作のために冷却される温度で、その材料が超伝導になることを意味する。このような材料の例はアルミニウムであるが、モリブデン、ニオブ、スズ、タンタル、または鉛のような他の超伝導体材料も使用することができる。検出器は、動作するために、非常に低い温度に冷却され、その温度は、十分に１Ｋ以下であることも、あるいは数十ｍＫのオーダーであることもできる。

その構造の寸法は、吸収体素子が超伝導体の第一の長さ４０５に結合される方法と同様に、インピーダンス整合に影響を及ぼす。マイクロ波光子の吸収体素子への完全な吸収を可能な限り確実にするために、吸収体素子のインピーダンスを信号入力伝送線の特性インピーダンスに可能な限り正確に整合させることが有利であり、その最終的な部分は超伝導体の第一の長さ４０５である。このように、良好なインピーダンス整合を目的とすることは、吸収体素子の任意の特定の物理的寸法を目的とするよりも重要である。マイクロエレクトロニクス素子のインピーダンス整合は、そのようなものとして知られている技術であるので、ここで詳細に説明する必要はない。

検出器は、可変インピーダンス素子を含み、そのインピーダンスは、温度の関数として変化するように構成される。多かれ少なかれ全ての材料のインピーダンスは、温度にある程度依存するが、可変インピーダンス素子のこの特徴付けは、そのインピーダンスが、動作のために検出器が冷却される温度での温度にかなり依存するように、その材料、形状、および寸法が選択されることを意味する。関心のあるマイクロ波放射線の吸収に起因する温度変化が桁違いで、実際の測定回路で検出可能な可変インピーダンス素子のインピーダンスを変化させるのに十分である場合、この意味で温度依存性はかなり大きい。

可変インピーダンス素子の一例は、少なくとも２つの別個の点でいくつかの超伝導材料に結合されているオーム導電性材料で作られた、いわゆる短区間部４０６である。短区間部４０６の材料は、例えば、長区間部４０４の材料と同じであってもよく、または、上記の長区間部４０４の説明における例として挙げられた他の材料の１つであってもよい。

短区間部４０６の寸法、および前記少なくとも２つの別個の点における超伝導材料へのその結合は、構造がＳ−Ｎ−Ｓ型のジョセフソン接合を構成するようなものである。また、この構造は、近傍の超伝導体区間部によって引き起こされる近接効果によって、検出器が動作のために冷却される温度において、短区間部４０６を弱い超伝導状態にするように特徴付けられることもある。この種の可変インピーダンス素子の一例は、２つの超伝導電極の間に２００ｎｍのオーダーの長さを有する金パラジウム合金のストリップである。

Ｓ−Ｎ−Ｓ型のジョセフソン接合は、そのインダクタンスが温度に有意な依存性を示すことが知られているので、可変インピーダンス素子として使用するのに特に有利である。電気的にこのような接合は、コイルの等価物とみなすことができ、そのインダクタンスは温度の関数である。

可変インピーダンス素子は、超伝導体の第二の長さ４０７を介して検出器出力４０２に結合される。したがって、測定回路が、電気回路内に可変インピーダンス素子を含むことが可能であり、その電気特性は、前記電気特性の検出された変化が測定信号を生成する基底を形成するように測定される。一例として、共振測定回路４０３が使用される場合、可変インピーダンス素子はタンク回路に含まれることができ、その共振周波数が測定されることになる。

図４の検出器は、図２および図３の既知の検出器素子に対する相違として、加熱入力４０８と、超伝導体の第三の長さ４１０を介して加熱入力４０８に結合された加熱素子４０９とを備える。加熱素子４０９は、オーム導電性材料で作ることができ、その結果、それに結合された加熱電流は、損失を生じ、入ってくる電気エネルギーを熱エネルギーに変換する。

吸収体素子（長区間部４０４）、可変インピーダンス素子（短区間部４０６）、および加熱素子４０９は、超伝導体の第一の長さ４０５、第二の長さ４０７、または第三の長さ４１０のいずれよりも短い長さの超伝導体区間部を介して互いに結合される。図４の概略図において、超伝導ストリップ４１１は、３つの自由端、すなわち、信号入力４０１に結合されていない長区間部４０４の端部、検出器出力４０２に結合されていない短区間部４０６の端部、および加熱入力４０８に結合されていない加熱素子４０９の端部を一緒に結合する。長区間部４０４、短区間部４０６、または加熱素子４０９のうちの１つから超伝導材料を介して、別の部分までの最短距離は、使用される技術で確実に製造できる限り最も短いのが最も有利である。

図４の実施形態では、超伝導ストリップ４１１は、接地電位への容量結合にも使用される。超伝導ストリップ４１１は、長区間部４０４および短区間部４０６の両方に結合されるので、接地への結合は、その両方のための回路を閉じ、吸収体素子における入力信号の効果的な吸収を可能にし、また、タンク回路の一部として可変インピーダンス素子の効果的な使用を可能にし、その共振周波数を測定することになる。したがって、前記回路を閉じることは、他の方法でも行うことができるが、超伝導ストリップ４１１の使用は、製造が比較的簡単で構造的にシンプルな方法を提供する。

ウィーデマン・フランツの法則は、超伝導体に対しては成立しないことが分かっている。すなわち、電気的に超伝導である材料は、熱的に比較的良好な絶縁体である可能性があり、電子拡散および準粒子熱伝達を介する熱伝導を特に妨げている。したがって、長区間部４０４、短区間部４０６、および加熱素子４０９が、比較的短い超伝導体区間部のみを介して相互に結合されるが、より長い超伝導体区間部を介して装置の他のパーツに結合される場合、それらは、検出器エリアの外側にあるものと比べて、はるかに容易に、（短い超伝導体区間部を介する熱電子拡散の形で）互いに熱エネルギーを交換することができる。超伝導体区間部の熱伝導率がその長さにどのように依存するかの特徴は、例えば、Ｊ．Ｔ．Ｐｅｌｔｏｎｅｎ，Ｐ．Ｖｉｒｔａｎｅｎ，Ｍ．Ｍｅｓｃｈｋｅ，Ｊ．Ｖ．Ｋｏｓｋｉ，Ｔ．Ｔ．Ｈｅｉｋｋｉｌａ，ａｎｄ Ｊ．Ｐ．Ｐｅｋｏｌａ：Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｂｙ ｔｈｅ Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ Ｅｆｆｅｃｔ ｉｎ ａ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ １０５，０９７００４（２０１０）に記載されている。

また、この構造の他の特徴は、検出器エリアとその周囲との間の熱エネルギーのいかなる交換も最小限に抑えるために最適化されてもよい。それゆえ、長区間部４０４、短区間部４０６、および加熱素子４０９、ならびに超伝導体区間部を、例えば、シリコンチップの表面上に形成することもでき、全体を真空中に封入することもでき、また検出器の周囲に多層の熱遮蔽を設定することもできる。熱遮蔽、および動作のために検出器を冷却するために使用される熱浴は、４１２として図４に概略的に示される。熱遮蔽および冷却は、公知の解決策を使用して行うことができ、それらは、本明細書でより詳細に説明する必要はない。

長区間部４０４、短区間部４０６、および加熱素子４０９の温度が同じであることを保証するために、それらを組み合わせる超伝導体の長さは、それを通る熱伝導が前記通常の金属元素における電子フォノン結合よりもはるかに高くなるように、十分に短くなければならない。加えて、上で既に指摘したように、超伝導体区間部４０５、４０７、および４１０の熱伝導率は、電子フォノン結合よりもはるかに小さくなければならない。これらの条件が両方とも成立するとき、通常の金属元素間の温度差が均一になる時間スケールを記述する熱時定数が、検出器構造全体の熱時定数（すなわち、熱エネルギーが検出器から周囲の熱浴へどれだけ速く逃げるかを記述する時定数）よりも小さい。

加熱入力４０８を介して加熱素子４０９に伝導される加熱電流によって、加熱素子４０９の温度が上昇する。上述の機構、すなわち、ホットエレクトロン拡散の形態での熱エネルギーの交換によって、長区間部４０４（またはより一般的には、吸収体素子）および短区間部４０６（より一般的には、可変インピーダンス素子）も、対応して温度が上昇する。非常に正確に知られた大きさの低周波電流を生成することは比較的容易である。したがって、加熱電流によって検出器エリアに運ばれるエネルギーの量も、非常に正確に知られる。既知の量の注入加熱電流に対する測定回路の応答を観察することによって、検出器を較正することができる。

図５は、超伝導体の第一の長さ４０５および第三の長さ４１０にそれぞれ沿ってマイクロ波フィルタ５０１および５０２を備える検出器５００の実施形態を概略的に示す。このようなマイクロ波フィルタの主な効果は、超伝導接続部に沿った漂遊熱のフォトニック伝達を遮断することであり、これは、検出器素子そのものと周囲の構造との間の加熱コンダクタンスをできるだけ小さく維持するのに役立つ。

マイクロ波フィルタ５０１および５０２は、検出器からの不要な周波数のノイズを減結合する目的で使用することもできる。超伝導体の第一の長さ４０５に沿ったフィルタ５０１は、帯域通過マイクロ波フィルタとして示され、その通過帯域は、所望の周波数の入力信号のみを通過させるように選択される。超伝導体の第三の長さ４１０に沿ったフィルタ５０２は、ローパスマイクロ波フィルタとして示され、これは、ＤＣまたは低周波数ＡＣ電流が加熱電流として使用されるという事実に関連する。また、フィルタ５０２は、フィルタ５０１の通過帯域よりも低い通過帯域選択経路を有する帯域通過マイクロ波フィルタとすることもできる。

帯域通過マイクロ波フィルタ５０１によって、その中間周波数および／またはその通過帯域の幅に関して制御可能にすることができる。このように制御できることは、例えば、スペクトル情報が入射マイクロ波放射線から得られる場合に有利であり得る。その理由は、帯域通過マイクロ波フィルタ５０１を制御することによって、測定を入射マイクロ波放射線の特定のスペクトル部分に集束させることができるからである。帯域通過マイクロ波フィルタ５０１を制御できるので、入射マイクロ波放射線が１つの関心周波数（または１つの関心周波数帯域）のみを有する場合であっても使用することができる。このような場合、帯域通過マイクロ波フィルタ５０１の通過帯域は、例えば、関心周波数をカバーするより広い周波数帯域上で前後に移動することができ、その結果、基準測定値が他の周波数で得られる。

図６は、加熱素子に関する入力の特定の配置を有する検出器６００の実施形態を概略的に示す。第一の加熱入力と呼ぶことができ、加熱素子４０９の第一の端部に結合される１つの加熱入力は、第一の加熱電流リード線６０１と、第一の電圧測定接続部６０２とを備える。ここでは第二の加熱入力と呼ばれる別の加熱入力は、第二の加熱電流リード線６０３と、第二の電圧測定接続部６０４とを備える。これらから加熱素子４０９の第二の端部への結合が存在する。

このような構造の有利な実施形態は、超伝導ストリップの前記第一の加熱電流リード線６０１および第一の電圧測定接続部６０２に向かう分岐が、同じく実際の検出器が配置された同じシリコンチップ上でなされる実施形態である。また、第二の加熱電流リード線６０３および第二の電圧測定接続部６０４に向かう他の超伝導ストリップの分岐は、同じく実際の検出器が配置された同じシリコンチップ上で有利になされる。図６の実施形態では、前記分岐のそれぞれにローパスマイクロ波フィルタ６０５、６０６、６０７、６０８が存在する。この構造は、例えば、チップの外側からストリップ上の分岐超伝導ストリップへの結合が、通常の非超伝導ワイヤによって作られるようなものであってもよい。

図面に示されているマイクロ波フィルタは、チップそのものの外部のディスクリート構成要素であってもよい。しかしながら、それらは、熱のフォトニック伝達の所望の遮断を達成するために、最も有利なことに、同じ熱浴内にあるべきである。また、検出器自体と同じチップ上にマイクロ波フィルタを構築することも可能である。

加熱電流源は、第一の加熱電流リード線６０１および第二の加熱電流リード線６０３に結合される。図６の実施形態では、加熱電流源は、（可変）ＤＣ電圧源６０６と、安定抵抗器６０７と、第一の加熱電流リード線６０１と第二の加熱電流リード線６０３との間に結合されたスイッチ６０８の直列結合を備える。電圧計６０９は、第一の電圧測定接続部６０２と第二の電圧測定接続部６０４との間に結合される。

可変ＤＣ電圧源６０６は、３Ｖ等の数Ｖオーダーの正確に較正された電圧を生成してもよい。安定抵抗器６０７は、１ＧΩ等のオーダーの非常に高い抵抗を有する正確に較正された抵抗器であってもよい。正確に較正された電圧源および正確に較正された安定抵抗器は、非常に小さいにもかかわらず、加熱素子４０９を通る加熱電流を生成し、それは、上記の数値で与えられた３ｎＡのオーダーで、正確に分かっている。加熱電流源を第一の加熱電流リード線６０１および第二の加熱電流リード線６０３に結合する接続部の室温部分は、いくらかの追加抵抗を生じさせるが、それを測定し、補償することができる。電圧計６０９の入力インピーダンスは、加熱素子４０９のインピーダンスよりも非常に大きくなければならない。加熱電流が既知であり、電圧計６０９が加熱素子４０９の電圧降下を与えるとき、加熱素子４０９を加熱するために使用される電力量を計算することができる。

図６のように可変ＤＣ電圧源６０６およびオン／オフスイッチ６０８を有する加熱電流源は、マイクロ波放射線の実際の検出と時間インターリーブ方式で検出器を較正するために使用できる。既知の量の加熱電力が加熱素子４０９に供給され、可変インピーダンス素子における対応するインピーダンス変化は、例えば、可変インピーダンス素子が一部であるタンク回路の共振周波数の変化を測定することによって記録される。マイクロ波放射線を実際に検出するために、スイッチ６０８は開かれ、その結果、実際の測定の間、加熱電流は流れない。そのような較正の利点は、実際の測定中に検出器に追加の熱が注入されないことであり、したがって、可能な限り低温からのメリットを享受する性能の全てのそのような測定は、それらの最適値を達成することができる。

別の可能性は、マイクロ波放射線を実際に検出する最中に、スイッチ６０８を閉じたままにし、可変インピーダンス素子の測定されたインピーダンスを一定に維持するように構成されたフィードバック結合を使用することである。したがって、より高エネルギーの実際のマイクロ波放射線が検出されるほど、検出器に注入される加熱電流は少なくなり、逆も同様である。そのような測定方法は、時間インターリーブ較正を伴う方法よりも著しく大きなダイナミックレンジを有し得るが、加熱電流の連続注入は、時間インターリーブ較正を伴う方法よりも検出器がわずかに高温で実行されることを意味する。したがって、より広いダイナミックレンジは、温度にある程度の比例性を示すそのような干渉因子が若干増えることを犠牲にしてもたらされ得る。

図６に概略的に示されているさらに別の特徴は、長区間部４０４、短区間部４０６、および加熱素子４０９の１つの代替的幾何学的構成である。図４および図５では、長区間部４０４および短区間部４０６は、共通の長手方向軸を有し、加熱素子４０９は、それらにいくつかの直角な変位を伴って平行に走行した。このような配置では、長区間部および短区間部は、実際には、単一で唯一のオーム導電性ストリップの部分として製造することができ、超伝導ストリップは、前記オーム導電性ストリップを横切って２つの部分に分割するように作られている。図６の検出器において、長区間部４０４、短区間部４０６、および加熱素子４０９は、短区間部４０６の長手方向軸に対して対称なパターンを形成する。加熱素子４０９が他方の側に変位すると、長区間部４０４は、短区間部４０６の長手方向軸から一方の側に等しくずれる。

製造がわずかに複雑であるが、図６の対称構成は、長区間部４０４と短区間部４０６との間のホット電子拡散のための局所的条件が、加熱素子４０９と短区間部４０６との間のホット電子拡散のための条件と全く同じであるという利点を含む。これは、加熱電流を加熱素子４０９に注入することによって検出器に送達される既知の量の較正エネルギーが、長区間部４０４に結合される同じ量の信号エネルギーの応答と同一の応答を引き起こすことを確実にするのに役立ち得る。

図７は、一実施形態による検出器装置を示す。これは、少なくとも１つの検出器７００を備え、この検出器は、上述の任意の種類の検出器であってもよく、最も有利には、吸収体素子と、可変インピーダンス素子と、加熱素子と、超伝導体ストリップとが、一片の結晶シリコンなどの基板の１つまたは複数の表面上に形成される低温電子チップとして構築される。信号入力フィード７０１は、測定すべき信号を検出器７００の信号入力に導くように構成される。

図７の検出器装置は、検出器７００内の可変インピーダンス素子のインピーダンスの変化によって生じる影響を測定するように構成された測定回路７０２を備える。一例として、測定回路７０２は、検出器７００の検出器出力に結合されたタンク回路の共振周波数を測定するように構成された共振測定回路であってもよい。

図７の検出器装置は、検出器７００の加熱入力を通る既知の大きさの流れの加熱電流を作るように構成された加熱電流コントローラ７０３を備える。測定回路７０２および加熱電流コントローラの両方は、コントローラ７０４の制御下で動作し、コントローラ７０４は、適切な入力および出力接続を有するプログラマブルコンピュータを備えてもよい。

図７において、検出器７００は、信号入力と検出器７００の吸収体素子との間の超伝導体の第一の長さに沿った帯域通過マイクロ波フィルタを備えるものと仮定される。さらに、前記帯域通過マイクロ波フィルタは、その通過帯域の中間周波数および幅のうちの少なくとも１つに関して制御可能であると仮定される。検出器装置は、検出器７００内の帯域通過マイクロ波フィルタの制御入力に結合され、コントローラ７０４の制御下で動作する帯域通過フィルタコントローラ７０５を含む。

加熱電流コントローラ７０３は、図６の下部に示されている構成要素のような構成要素を備えることができる。言い換えれば、加熱電流コントローラ７０３は、検出器７００内の第一の加熱電流リード線と第二の加熱電流リード線との間に結合された、電圧源および安定抵抗器の直列結合を備えることができる。また、加熱電流コントローラ７０３は、検出器７００内の第一の電圧測定接続部および第二の電圧測定接続部の間に結合された電圧計を備えてもよい。また、電圧計は、検出器７００内の抵抗加熱素子における電圧降下を測定するために適切に結合されている限り、測定回路７０２内のように、検出器装置のいくつかの他のパーツで構成されてもよい。

コントローラ７０４は、較正および検出器７００の実際の動作を制御するようにプログラムされてもよい。一実施形態によれば、検出器装置は、上述の直列結合（または任意の他の種類の制御可能な加熱電流源）に前記加熱素子を通る較正電流を供給させることによって、また検出器７００の可変インピーダンス素子が一部であるタンク回路の共振周波数の変化のように、測定回路７０２に対応する変化を測定させることによって、検出器を較正するように構成される。また、検出器装置は、マイクロ波放射線の検出中に、タンク回路の共振周波数の対応する変化のような、対応する変化を測定し、そのような変化を示す測定信号を生成するように構成されてもよい。

代替的に、または追加的に、検出器装置は、フィードバック結合に応じて、前記直列結合（または任意の他の制御可能な加熱電流源）に検出器７００内の加熱素子を通る補償電流を供給させるように構成されてもよい。そして、その目的は、マイクロ波放射線の検出中にタンク回路の共振周波数を一定に保つことである。そのような場合、検出器装置は、補償電流の大きさが、検出された入射信号エネルギーの量に（反）比例するので、前記補償電流の大きさを示す測定信号を生成するように構成される。

技術の進歩に伴い、本発明の基本概念を様々な方法で実施することができることは、当業者には明らかである。したがって、本発明およびその実施形態は、上述の例に限定されず、その代わりに、特許請求の範囲内で変更することができる。例えば、記載された実施形態が、吸収体素子、可変インピーダンス素子、および加熱素子の長手方向軸を全て互いに平行に有する場合であっても、これは本発明の要件ではない。少なくとも２つの要素の長手方向軸は、互いに斜めの角度であってもよい。例えば、他の点では図６の原理に従う対称的な実施形態では、長区間部および加熱素子は、それらの遠い（左側）端部がそれらの近位（右側）端部よりも互いから遠いＶ字形パターンを形成することができる。

Claims (13)

1. 信号入力（４０１）および検出器出力（４０２）と、
   超伝導体の第一の長さ（４０５）を介して前記信号入力（４０１）に結合されたオーム導電性の吸収体素子（４０４）と、
   可変インピーダンス素子（４０６）であって、そのインピーダンスが、超伝導体の第二の長さ（４０７）を介して前記検出器出力（４０７）に結合された、可変インピーダンス素子（４０６）と、
   を備える、マイクロ波放射線の検出器において、
   前記検出器が加熱入力（４０８）を備えることと、
   前記検出器が、超伝導体の第三の長さ（４１０）を介して前記加熱入力（４０８）に結合された加熱素子（４０９）を備えることと、
   前記吸収体素子（４０４）と、前記可変インピーダンス素子（４０６）と、前記加熱素子（４０９）とが、超伝導体の前記第一（４０５）、第二（４０７）、および第三（４１０）の長さのいずれよりも短い長さの超伝導体区間部を介して互いに接続され、超伝導体の前記第一（４０５）、第二（４０７）、および第三（４１０）の長さを介する熱の準粒子熱伝達を遮断しながら、前記吸収体素子（４０４）、前記可変インピーダンス素子（４０６）、および前記加熱素子（４０９）間のホットエレクトロン拡散を可能にすることと、
   を特徴とする、検出器。
2. 超伝導体の前記第一の長さの（４０５）および第三の長さ（４１０）の少なくとも１つに沿ったマイクロ波フィルタ（５０１、５０２）を備える、請求項１に記載の検出器。
3. 超伝導体の前記第三の長さ（４１０）に沿ったローパスまたは帯域通過マイクロ波フィルタ（５０２）を備える、請求項２に記載の検出器。
4. 超伝導体の前記第一の長さ（４０５）に沿った帯域通過マイクロ波フィルタ（５０１）を備える、請求項２または３に記載の検出器。
5. 前記帯域通過マイクロ波フィルタ（５０１）は、その通過帯域の中間周波数および幅の少なくとも１つに関して制御可能である、請求項４に記載の検出器。
6. 前記加熱入力は、前記加熱素子（４０９）の第一の端部に結合された第一の加熱入力であり、第一の加熱電流リード線（６０１）および第一の電圧測定接続部（６０２）を備え、
   前記検出器は、前記加熱素子（４０９）の第二の端部に結合された第二の加熱入力を備え、第二の加熱電流リード線（６０３）および第二の電圧測定接続部（６０４）を備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載の検出器。
7. 前記吸収体素子（４０４）および前記可変インピーダンス素子（４０６）は、共通の長手方向軸を有し、
   前記加熱素子（４０９）は、前記吸収体素子（４０４）および前記可変インピーダンス素子（４０６）のうちの少なくとも１つに平行に走り、そこから垂直に変位する、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載の検出器。
8. 前記可変インピーダンス素子（４０６）は長手方向軸を有し、
   前記吸収体素子（４０４）および前記加熱素子（４０９）は、前記可変インピーダンス素子（４０６）の長手方向軸に対して対称なパターンを形成する、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載の検出器。
9. マイクロ波放射線を検出するための検出器装置であって、
   請求項１〜８のいずれか一項に記載の少なくとも１つの検出器（７００）と、
   前記検出器出力（４０２）に結合されたタンク回路の共振周波数を測定するように構成された共振測定回路（７０２）と、
   を備える、検出器装置。
10. 既知の大きさの加熱電流を前記加熱入力（４０８）に流すように構成された加熱電流コントローラ（７０３）を備える、請求項９に記載の検出器装置。
11. 前記加熱入力は、前記検出器（７００）内の前記加熱素子（４０９）の第一の端部に結合された第一の加熱入力であり、第一の加熱電流リード線（６０１）および第一の電圧測定接続部（６０２）を備え、
    前記検出器（７００）は、前記検出器内の前記加熱素子（４０９）の第二の端部に結合された第二の加熱入力を備え、第二の加熱電流リード線（６０３）および第二の電圧測定接続部（６０４）を備え、
    前記加熱電流コントローラ（７０３）は、電圧源（６０６）および安定抵抗（６０７）の直列結合を備え、前記第一（６０１）と第二（６０３）の加熱電流リード線との間に結合され、
    前記検出器装置は、前記第一（６０２）と第二（６０４）の電圧測定接続部との間に結合された電圧計（６０９）を備える、請求項１０に記載の検出器装置。
12. 前記検出器装置は、前記直列結合に前記加熱素子（４０９）を介して較正電流を供給させ、前記タンク回路の共振周波数の対応する変化を測定することによって、前記検出器（７００）を較正するように構成され、
    前記検出器装置は、マイクロ波放射線の検出中に前記タンク回路の共振周波数の変化を測定し、そのような変化を示す測定信号を生成するように構成される。請求項１１に記載の検出器装置。
13. 前記検出器装置は、マイクロ波放射線の検出中に前記タンク回路の共振周波数を一定に保つために、フィードバック結合に応じて、前記直列結合が前記加熱素子（４０９）を介して補償電流を供給するように構成され、
    前記検出器装置は、前記補償電流の大きさを示す測定信号を生成するように構成される、請求項１１に記載の検出器装置。
    

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