KR102672186B1 - 극저온 마이크로파 분석기 - Google Patents

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Abstract

마이크로파 방사선의 탐지기는 신호 입력(401)과 탐지기 출력(402)을 포함한다. 옴 전도성의 흡수체 소자(404)는 초전도체(405)의 제1 길이를 통해 상기 신호 입력(401)에 결합된다. 그 임피던스가 온도 함수로서 변화하도록 구성되는 가변 임피던스 소자(406)는 초전도체(407)의 제2 길이를 통해 탐지기 출력(402)에 결합된다. 또한, 가열 입력(408) 및 초전도체(410)의 제3 길이를 통해 가열 입력(408)에 결합된 가열 소자(409)가 있다. 흡수체 소자(404), 가변 임피던스 소자(406), 및 가열 소자(409)는 초전도체의 상기 제1(405), 제2(407), 및 제3(410) 길이 중 어느 것보다 짧은 길이의 초전도체 섹션을 통해 서로 결합된다.

Description

극저온 마이크로파 분석기
본 발명은 마이크로파 주파수에서 전자기장 에너지의 검출과 측정에 관한 것이다. 특히 본 발명은 매우 작은 크기의 마이크로파 신호를 검출할 수 있는 초고감도 탐지기 구조 및 장치에 관한 것이다.
수신된 전자기장 방사선의 초고감도 검출 방법은 열량 측정(calorimetry) 및 복사 에너지 측정(bolometry)을 포함한다. 열량 측정기는 탐지기 소자의 일시적으로 증가된 온도가 주위의 열 배스(bath)의 온도로 지수적으로 저하되는 장치이다. 볼로미터(bolometer)는 탐지기 소자 및 열 배스를 갖지만, 단일 광자의 정확한 에너지보다는 전력(시간에 걸쳐 에너지), 즉, 유입 광자의 평균 플럭스(flux)를 측정하는 접근법이다.
도 1의 개략도는, 예를 들어, 열량 측정기와 볼로미터 모두에 적용 가능하다. 유입 방사선(101)은 흡수체(102)에 흡수되어, 흡수된 에너지는 열용량이 C인 탐지기 소자(103)를 가열한다. 흡수된 열에너지는 이후에 일부 열전도성(G)을 통해 가열 싱크(heat sink) 또는 열 배스(104)로 손실된다. 측정 장치(105)는 절댓값으로 탐지기 소자(103)의 온도 및/또는 온도의 변화율과 같은 연관된 양을 검출하고 측정하는데 사용된다.
유입 신호의 전력에 변화와 함께 볼로미터를 "유지"하기 위해, 상기 변화는 본질적으로 C/G인 시스템의 열 시간 상수와 관련하여 늦어야만 한다. 다시 말해서, 빠른 변화에 민감한 블로미터를 만드는 것은 작은 C와 큰 G를 가질 것을 요구할 것이다. 반면에, 상기 시스템의 노이즈 등가 전력에 대한 열역학적인 하한은 4*kB*T2*G의 제곱근에 비례하고, 여기서, kB는 볼츠만 상수이고, T는 열 배스의 온도이다. 따라서, 노이즈를 낮게 유지하기 위해, G는 작고 T는 낮게 만들어야만 한다.
도 2는 알려진 초고감도 볼로미터의 개략도이다. 검출 소자는 옴(ohmically) 전도성이고 저온에서조차 본질적으로 초전도체가 되지 않는 미세한 길이의 소재를 포함한다. 이러한 소위 일반 전도체는 예를 들어, 금-팔라듐(gold-palladium) 합금으로 만들어질 수 있고, 탐지기 구조에서 소위 긴 섹션(201)과 짧은 섹션(202)을 포함한다. 상기 구조는 또한 상기 탐지기가 작동하는 동안 결합되는 초전도체 부분, 즉, 상기 온도에서 초전도체가 되는 알루미늄 또는 다른 금속과 같은 소재로 만들어진 조각을 포함한다. 상기 초전도체 부분은 상기 긴 섹션(201)의 일 단부에 결합된 입력 섹션(203)과 상기 짧은 섹션(202)의 일 단부에 결합된 출력 섹션(204)을 포함한다. 브리지 섹션(205)은 일반 전도체를 가로질러 위치하여, 그 길이가 상기 긴 섹션(201)과 짧은 섹션(202)으로 나누어진다. 상기 브리지 섹션(205)의 일 단부는 용량성 커플링을 통해 접지된다. 전술한 모든 섹션은 열 배스(206)에 포함된다.
짧은 섹션(202)은 충분히 짧고, 그 양 단부에서 초전도체 섹션에 의해 묶여있어, 열 배스의 낮은 온도에서 근접 효과는 그것을 약하게 초전도성으로 만들며, 상기 긴 섹션(201)은 그 옴(ohmic) 전도성을 대부분 유지한다. 짧은 섹션(202)는 또한 탱크 회로의 일부분을 구성하여, 탱크 회로 내의 그 임피던스(상기 약한 초전도성으로 인해 온도에 크게 의존하는)는 탱크 회로의 공진 주파수에서 중요한 효과를 갖는다. 유입 마이크로파 신호는 긴 섹션(201)을 가열하여, 짧은 섹션(202)에서도 대응하는 온도 상승을 초래한다. 공지 주파수 측정 회로(207)는 탱크 회로의 공진 주파수의 결과적인 변화를 측정하여, 상기 공진 주파수 측정 회로(207)의 출력이 상기 유입 마이크로파 신호의 전력을 나타내게 한다.
도 3은 도 2의 원리의 변형을 도시한다. 도 2의 차이점은 도 3에서 탐지기 소자는 복수의 짧은 섹션(301, 302, 및 303)을 포함하도록 한다는 것이다. 이는 측정 회로를 비선형으로 만들지 않고 측정 회로의 임피던스를 증가시키는 데 도움이 되지만, 일반적인 작동 원리는 도 2와 동일하다.
비록 도 2 및 도 3의 탐지기는 극도로 민감하지만, 캘리브레이션에 관련된 문제가 있다. 제조 공정의 매우 작은 변화는 측정 응답에서 중대한 불확실성을 야기한다. 기본적으로 일부 알려진 마이크로파 방사원을 사용하여 각각 제조된 볼로미터를 개별적으로 캘리브레이션 할 수 있지만, 필요한 정확도로 마이크로파 주파수에서 필요한 기준 신호를 생성하는 것은 어렵고 비용이 많이 든다.
알려진 고감도 블로미터를 서술하는 종래 기술 문서는 예를 들어 특허 공보 FI122887B 및 US9255839B2를 포함한다.
본 발명의 목적은 극도로 높은 민감도와 상대적인 캘리브레이션 용이성으로 마이크로파 방사선((microwave radiation)을 검출하기 위한 탐지기와 탐지기 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 탐지기 소자의 열용량을 크게 증가시키지 않고 마이크로파 방사선 탐지기를 캘리브레이션하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 게다가, 본 발명의 다른 목적은 전술한 종류의 마이크로파 방사선의 탐지기를 제공하여, 제조 공정에서 피할 수 없는 차이(variation)가 제조된 탐지기의 민감도와 정확성을 희생시키지 않는 것이다.
본 발명의 이러한 부가적인 유리한 목적은 탐지기의 다른 부분들과 밀접하게 결합하여 고온 전자 효과가 이용될 수 있도록 탐지기 내에 가열 소자를 제공함과 동시에 준입자 열 전달에 의해 실행되는 부유 열전도(stray heat conduction)를 차단하기 위해 충분히 긴 초전도 리드를 사용함으로써 달성된다.
일 실시 양태에 따른 마이크로파 방사선의 탐지기는 탐지기에 관한 독립항에 열거된 특성들을 특징으로 한다.
일 실시 양태에 따른 마이크로파 방사선의 탐지기 장치는 탐지기 배열에 관한 독립항에 열거된 특성들을 특징으로 한다.
본 발명의 추가적인 이해를 제공하고 본 명세서의 일 부분을 구성하도록 포함된 첨부된 도면은 본 발명의 실시 양태를 도시하고, 서술과 함께 본 발명의 원리를 설명하는데 도움을 준다. 도면에서:
도 1은 열량 측정기 및 볼로미터의 알려진 원리를 도시하고,
도 2는 알려진 볼로미터의 탐지기 소자를 도시하고,
도 3은 다른 알려진 볼로미터의 탐지기 소자를 도시하고,
도 4는 일 실시 양태에 따른 탐지기를 도시하고,
도 5는 필터의 사용을 도시하고,
도 6은 일 실시 양태에 따른 탐지기에서 연결부의 일 실시 예를 도시하며,
도 7은 탐지기 장치를 도시한다.
도 4는 마이크로파 방사선 탐지기(400)를 도시한다. 상기 탐지기는 신호 입력(401)과 탐지기 출력(402)을 포함한다. 상기 신호 입력(401)은 연결부로서, 이를 통해 측정된 신호가 신호 입력 전송 라인을 이용하여 상기 탐지기에 결합될 수 있다. 상기 탐지기 출력(402)은 연결부로서, 이를 통해 상기 탐지기가 측정 회로에 결합될 수 있다. 일 실시 양태에 따르면 상기 측정 회로는 공진 측정 회로(403)이다.
탐지기는 마이크로파 주파수에서 옴 전도성을 나타내는 흡수체 소자를 포함한다. 도 4에서, 상기 흡수체 소자는 탐지기가 작동을 위해 냉각되는 상기 온도에서 본질적으로 초전도체가 되지 않는 옴 전도성인 소재로 만들어진 소위 긴 섹션(404)이다. 관심 주파수에서 옴 전도성이 관찰되는 한, 흡수체 소자의 소재로서 DC에 대해 약한 초전도체가 되는 소재를 사용할 수 있다. 고주파 광자는 (약한) 초전도체 소재의 쿠퍼 쌍(Cooper pair)을 파괴하여 흡수될 수 있다.
흡수체 소자를 제조하기 위한 적합한 소재의 실시 예는 예를 들어 금과 팔라듐의 다양한 합금일 수 있지만, 또한 구리 같은 다른 소재일 수 있고, 심지어 그래핀, 탄소 나노튜브 등과 같은 비금속성 소재가 사용될 수 있다. 긴 섹션(404)의 길이는 600 내지 1000 나노미터와 같은 대략 수백 나노미터일 수 있고, 그 폭과 두께는 마이크로리토그래픽(microlitographic) 방법으로 신뢰성 있게 제조될 수 있는 만큼 작을 수 있다. 이러한 표현을 쓸 때, 이는 대략 수십 나노미터의 두께와 폭을 의미한다.
흡수체 소자 초전도체의 제1 길이(405)를 통해 신호 출력(401)에 결합된다. 소재를 초전도체라고 부르는 것은 상기 소재가 탐지기가 동적하기 위해 냉강된 온도에서 초전도체가 되는 것을 의미한다. 그러한 소재의 일 실시 예는 알루미늄이지만, 또한 몰리브덴, 니오븀, 주석, 탄탈룸 또는 납과 같은 다른 초전도체 소재가 사용될 수 있다. 동작을 위해, 탐지기는 매우 낮은 온도로 냉각되고, 상기 온도는 1 캘빈 이하 또는 대략 수십 밀리캘빈일 수 있다.
상기 구조의 치수는 물론, 흡수체 소자가 초전도체의 상기 제1 길이(405)에 결합되는 방법은 임피던스 매칭에 영향을 미친다. 가능한 상기 흡수 소자에 마이크로파 광자의 완벽한 흡수를 보장하기 위해, 신호 입력 전송 라인의 독특한 임피던스에 가능한 한 정확한 흡수체 소자의 임피던스 매칭은 유리하고, 상기 신호 입력 전송 라인의 최종 부분은 초전도체의 상기 제1 길이(405)이다. 따라서, 양호한 임피던스 매칭을 목표로 하는 것은 흡수체 소자의 임의의 특정한 물리적인 치수를 목표로 하는 것보다 중요하다. 마이크로전자 소자의 임피던스 매칭은 이와 같이 알려진 기술이므로, 본 명세서에서 자세히 논의할 필요는 없다.
상기 탐지기는 다양한 임피던스 소자를 포함하고, 상기 탐지기의 임피던스는 온도의 함수로써 변화하도록 구성된다. 거의 모든 소재의 임피던스는 온도에 어느 정도 의존성을 나타내지만, 다양한 임피던스 소자의 이러한 특성은 그 소재, 형태 및 치수가 상기 탐지기가 작동하기 위해 냉각된 상기 온도에서 온도에 상당한 의존성을 그 임피던스가 나타내도록 선택된다는 것을 의미한다. 관심 있는 마이크로파 방사량의 흡수로부터 야기되는 대략적인 크기에서 온도의 변화가 실용적인 측정 회로로 측정할 수 있는 가변 임피던스 소자의 임피던스를 변경시키기에 충분하다면 온도 의존성은 이러한 의미에서 중요하다.
가변 임피던스 소자의 일 실시 예는 옴 전도체 소재로 만들어지고, 적어도 2개의 별개의 점에서 일부 초전도성 소재에 결합되는 소위 짧은 섹션(406)이다. 상기 짧은 섹션(406)의 소재는 예를 들어 상기 긴 섹션(404)의 소재와 동일할 수 있지만, 전술한 긴 섹션(404)의 설명에서 예시로 주어진 다른 소재들 중 하나일 수 있다.
상기 짧은 섹션(406)의 치수 및 상기 적어도 2개의 별개의 점에서 초전도체 소재로의 그 커플링은 상기 구조가 S-N-S 유형의 조셉슨 접합(Josephson junction)을 구성하도록 한다. 상기 구조는 또한 인근의 초전도체 섹션에 의해 야기되는 근접 효과가 상기 짧은 섹션(406)을 상기 탐지기가 작동을 위해 냉각된 온도에서 약한 초전도체로 만드는 것을 특징으로 할 수 있다. 이러한 종류의 가변 임피던스 소자의 일 실시 예는 2개의 초전도성 전극 사이의 대략 200 나오미터 길이를 갖는 금-팔라듐 합금의 스트립이다.
그 임피던스가 온도에 상당한 의존성을 나타내는 것으로 알려져 있기 때문에, S-N-S 유형의 조셉슨 접합은 가변 임피던스 소자로 사용하기에 특히 유리하다. 전기적으로 그러한 접합은 그 임피던스가 온도 함수인 코일과 등가로 간주할 수 있다.
가변 임피던스 소자는 초전도체의 제2 길이(407)를 통해 탐지기 출력(402)에 결합된다. 따라서, 상기 측정 회로가 전기 회로 내에서 가변 임피던스 소자를 포함하는 것이 가능하고, 측정 신호를 생성하는 기초로부터 상기 전기적 속성 내에서 변화를 검출하도록 상기 가변 임피던스 소자의 전기적인 속성은 측정된다. 일 실시 예로서, 공진 측정 회로(403)가 사용되는 경우, 상기 가변 임피던스 소자는 탱크 회로 내에 포함될 수 있고, 상기 가변 임피던스 소자의 공진 주파수는 측정된다.
도 2 및 도 3의 알려진 탐지기 소자와 상이하게, 도 4의 탐지기는 가열 입력(408)을 포함하고, 가열 소자(409)는 초전도체의 제3 길이(410)를 통해 상기 가열 입력(408)에 결합된다. 상기 가열 소자(409)는 옴 전도체 소재로 만들어져, 이에 결합된 가열 전류가 옴 손실되어 입력된 전기 에너지를 열에너지로 변환한다.
흡수체 소자(긴 섹션(404)), 가변 임피던스 소자(짧은 섹션(406)), 및 가열 소자(409)는 초전도체의 임의의 제1(405), 제2(407), 또는 제3(410) 길이보다 짧은 길이의 초전도체 섹션을 통해 서로 결합된다. 도 4의 개략도에서, 초전도성 스트립(411)은 제3, 즉, 신호 입력(401)에 결합되지 않은 긴 섹션(404)의 자유단부, 탐지기 출력(402)에 결합되지 않은 짧은 섹션(406)의 자유단부, 가열 입력(408)에 결합되지 않은 가열 소자(409)의 자유단부와 함께 결합된다. 초전도성 소재를 통한 긴 섹션(404), 짧은 섹션(406), 또는 가열 소자(409) 중 하나로부터 다른 것으로의 최단 거리는 사용되는 기술과 함께 신뢰성 있게 제조될 수 있는 한 짧으면 가장 유리하다.
도 4의 실시 양태에서, 상기 초전도성 스트립(411)은 또한 접지 전위로의 용량성 커플링에도 사용된다. 초전도성 스트립(411)은 긴 섹션(404)과 짧은 섹션(406) 모두에 결합되기 때문에, 접지로의 커플링에 의해 둘 다의 회로가 닫히고, 이는 흡수체 소자에서 입력 신호의 효과적인 흡수를 가능하게 하고 또한 탱크 회로의 일부분으로써 가변 임피던스 소자의 효과적인 사용을 가능하게 하며, 상기 회로의 공진 주파수가 측정된다. 이와 같이, 상기 회로의 폐쇄는 또한 다른 방식으로 이루어질 수도 있지만, 상기 초전도성 스트립(411)의 사용은 제조하기에 비교적 직관적인 구조적으로 간단한 방법을 제공한다
비데만-프란츠(Wiedemann-Franz) 법칙은 초전도체에 적용되지 않는 것으로 밝효졌다: 전기적으로 초전도체인 소재는 열적으로 비교적 좋은 절연체이고, 전자 확산과 준입자 열 전달을 통한 열의 전도를 부분적으로 차단할 수 있다. 따라서, 상기 긴 섹션(404), 짧은 섹션(406), 및 가열 소자(409)가 단지 비교적 짧은 초전도체 섹션을 통해 서로 결합되지만 더 긴 초전도체 섹션을 통해 장치의 다른 부분에 결합될 때, 이들은 - 상기 짧은 초전도체 섹션을 통해 고온 전자 확산 형태에서 - 탐지기 영역 외부의 어떤 것보다 훨씬 더 쉽게 서로 열에너지를 교환할 수 있다. 초전도체 섹션의 열전도성이 그 길이에 어떻게 의존하는지에 대한 특성은 예컨대 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)에서 찾을 수 있다.
또한, 상기 구조의 다른 특징은 탐지기 영역과 최소한의 그 주변 환경 사이의 열에너지의 임의의 교환을 유지하기 위해 최적화될 수 있고: 긴 섹션(404), 짧은 섹션(406), 및 가열 소자(409) 뿐만 아니라 초전도체 섹션은 예를 들어, 실리콘 칩의 표면 상에 형성될 수 있으며; 전체는 진공으로 밀봉될 수 있고; 다층 열 차폐가 탐지기 주변에 설치될 수 있다. 작동을 위해 탐지기를 냉각하는데 사용되는 열 차폐, 및 열 배스는 도 4에서 412로 개략적으로 도시된다. 열 차폐 및 냉각기는 알려진 해결책을 사용하여 이루어질 수 있으며, 이들을 본 명세서에서 더 상세하게 서술할 필요는 없다.
상기 긴 섹션(404), 짧은 섹션(406), 및 열 소자(409)의 온도가 동일하다는 것을 보장하기 위해, 이들을 결합하는 초전도체의 길이는 이를 통한 열전도가 상기 일반 금속 소자 내에 전자-포논(electron-phonon) 커플링보다 더욱 높도록 충분히 짧아야만 한다. 부가적으로, 이미 위에서 지적한 바와 같이, 상기 초전도체 섹션(405, 407, 및 410)의 열전도성은 전자-포논 커플링보다 더 작아야만 한다. 이러한 조건이 모두 유지될 때, 열 시간 상수는 시간 척도를 나타내고, 상기 시간 척도 내에서 일반적인 금속 소자들 사이의 온도 차이는 전체 탐지기 구조의 열 시간 상수, 즉, 열에너지가 탐지기로부터 주변 열 배스로 얼마나 빨리 벗어나지를 나타내는 시간 상수보다 작다.
가열 입력(408)을 통해 가열 소자(409)로 전도된 가열 전류는 가열 소자(409)의 온도를 올릴 것이다. 전술한 메커니즘, 즉 고온의 전자 확산 형태에서 열에너지의 교환은 또한 긴 섹션(404)(또는 보다 일반적으로: 흡수체 소자) 및 짧은 섹션(406)(보다 일반적으로: 가변 임피던스 소자)의 온도에서 대응하는 증가를 야기한다. 매우 정확하게 알려진 크기의 낮은 주파수의 전기 전류를 생성하는 것은 비교적 쉽다. 따라서, 가열 전류에 의해 탐지기 영역으로 이동될 에너지양 또한 매우 정확하게 알 수 있다. 알려진 양의 주입된 가열 전류에 대한 측정 회로의 응답을 관찰함으로써, 상기 탐지기는 캘리브레이션될 수 있다.
도 5는 초전도체의 각각의 제1(405), 제3(410) 길이를 따라 마이크로 필터(501, 502)를 포함하는 탐지기(500)의 개략적인 실시 양태를 도시한다. 그러한 마이크로파 필터의 주요한 효과는 초전도성 연결부를 따라 부유성 열의 광자 이동을 막는 것이고, 이는 탐지기 소자와 주변 구조 사이의 열 전도력을 가능한 작게 유지하는 것을 돕는다.
마이크로파 필터(501, 502)는 또한 탐지기로부터 원하지 않는 주파수의 노이즈를 디커플링하는 목적으로 사용될 수 있다. 초전도체의 제1 길이(405)를 따라 필터(501)는 대역 통과 마이크로파 필터로 도시되고, 상기 대역 통과 마이크로파 필터의 통과 대역은 소정 주파수의 입력 신호만 통과시키도록 선택된다. 초전도체의 상기 제3 길이(410)를 따라 필터(502)는 저역 통과 마이크로파 필터로 도시되고, 상기 저역 통과 마이크로파 필터는 DC 또는 낮은 주파수의 AC 전류가 가열 전류로 사용된다는 사실에 관련된다. 상기 필터(502)는 또한 상기 필터(501)의 통과 대역보다 낮게 선택된 통과 대역을 갖는 대역 통과 마이크로파 필터일 수 있다.
대역 통과 필터(501)는 그 중간 주파수 및/또는 그 통과 대역에 대하여 제어 가능하게 만들어질 수 있다. 그러한 제어 가능성은 예를 들어 스펙트럼 정보가 유입 마이크로파 방사선으로부터 획득되는 경우 유리할 수 있다: 대역 통과 마이크로파 필터(501)를 제어함으로써 상기 측정은 유입 마이크로파 방사선의 특정한 스펙트럼 부분에 집중될 수 있다. 또한 유입 마이크로파 방사선이 관심 있는 하나의 주파수(또는 하나의 주파수 대역)만을 가지고 있는 경우라도 대역 통과 마이크로파 필터(501)의 제어 가능성은 사용될 수 있다. 그러한 경우에 대역 통과 마이크로파 필터(501)의 통과 대역은, 예를 들어, 관심 주파수를 커버하는 더 넓은 주파수 대역의 앞뒤로 이동될 수 있어, 기준 측정은 다른 주파수에서 획득된다.
도 6은 가열 소자에 관한 입력의 특정한 장치를 갖는 탐지기(600)의 개략적인 실시 양태를 도시한다. 제1 가열 입력이라 불릴 수 있고 상기 가열 소자(409)의 제1 단부에 결합된 하나의 가열 입력은 제1 가열 전류 리드(601) 및 제1 전압 측정 연결부(602)를 포함한다. 본 명세서에서 제2 가열 입력이라 부르는 또 다른 가열 입력은 제2 가열 전류 리드(603)와 제2 전압 측정 연결부(604)를 포함한다. 이로부터 상기 가열 소자(409)의 제2 단부에 커플링된다.
그러한 구조의 유리한 실시 양태는 상기 제1 가열 전류 리드(601)와 제1 전압 측정 연결부(602) 쪽으로의 상기 초전도체 스트립의 가지(branch)가 동일한 실리콘 칩상에 만들어지고, 또한 상기 실리콘 칩상에 실제 탐지기가 위치한다는 것이다. 또한, 제2 가열 전류 리드(603)와 제2 전압 측정 연결부(604) 쪽으로의 다른 초전도성 스트립의 가지는 동일한 실리콘 칩상에 유리하게 만들어지고, 또한 상기 실리콘 칩상에 실제 탐지기가 위치한다. 도 6의 실시 양태에서 상기 가지 각각에 저역 통과 마이크로파 필터(605, 606, 607, 및 608)가 있다. 상기 구조는, 예를 들어, 상기 칩상에서 칩의 외부로부터 가지 초전도성 스트립으로의 결합이 평범한 비-초전도성 와이어에 의해 만들어지는 그러한 곳일 수 있다.
도면에 도시된 마이크로파 필터는 칩 외부의 이산 성분일 수 있다. 그러나, 이들은 열 광자 전달의 소정의 차단을 달성하기 위해서 가장 유리하게도 동일한 열 배스 내에서 있어야 한다. 탐지기 자체와 동일한 칩 상에 마이크로파 필터를 만드는 것 또한 가능하다.
가열 전류원은 제1(601) 및 제2(603) 가열 전류 리드에 결합된다. 도 6의 예시적인 실시 양태에서, 상기 가열 전류원은 제1(601) 및 제2(603) 가열 전류 리드를 가로질러 결합된 (가변 DC) 전압원(606), 밸러스트 저항(607), 및 스위치(608)의 직렬 커플링을 포함한다. 전압계(609)는 상기 제1(602) 및 제2(604) 전압 측정 연결부를 가로질러 결합된다.
가변 DC 전압원(606)은 3볼트 등과 같은 수 볼트 수준(order)의 전압에서 정확하게 캘리브레이션된 전압을 제공할 수 있다. 밸러스트 저항(607)은 1 기가 옴 등의 수준의 매우 높은 저항을 갖는 정확하게 캘리브레이션된 저항일 수 있다. 정확하게 캘리브레이션된 전압원과 정확하게 캘리브레이션된 밸러스트 저항은 가열 소자(409)를 통해 가열 전류를 제공하고, 상기 가열 전류는 - 매우 작음에도 불구하고; 위에서 주어진 숫자 값을 갖는 3 나노암페어 수준 - 정확하게 알려진다.
상기 가열 전류원을 제1(601) 및 제2(603) 전류 리드에 결합하는 상기 연결부의 상온 부분은 일부 부가적인 저항을 야기하지만, 이는 측정 및 보상될 수 있다. 상기 전압계(609)의 입력 임피던스는 가열 소자(409)의 임피던스보다 훨씬 커야만 한다. 가열 전류가 알려져 있고, 전압계(609)가 상기 가열 소자(409)를 가로질러 전압 강하를 줄 때, 상기 가열 소자(409)를 가열하는데 사용되는 에너지양은 계산될 수 있다.
가변 DC 전압원(606)과 on/off 스위치(608)를 갖는 도 6에서와 같은 가열 전류원은 인터리브(interleave) 방식으로 마이크로파 방사선을 실제 탐지하도록 상기 탐지기를 캘리브레이션하는 데 사용될 수 있다. 가열 에너지의 알려진 양은 상기 가열 소자(409)에 전달하고, 상기 가변 임피던스 소자의 대응하는 임피던스 변화는 예를 들어, 상기 가변 임피던스 소자가 일부분인 탱크 회로의 공진 주파수의 변화를 측정함으로써 기록된다. 마이크로파 방사선의 실제 탐지를 위해, 상기 스위치(608)는 개방되어, 실제 측정 동안 가열 전류가 흐르지 않는다. 그러한 캘리브레이션의 이점은 부가적인 가열이 실제 측정 동안 검출기에 주입되지 않아, 가능한 낮은 온도로부터 이익을 얻는 모든 성능 측정이 최적의 값을 달성할 수 있다는 것이다.
또 다른 가능성은 마이크로파 방사선의 실제 탐지 동안 상기 스위치(608)가 닫혀 있고, 가변 임피던스 소자의 측정된 임피던스를 일정하게 유지하도록 구성된 피드백 커플링을 사용하는 것이다. 따라서, 더 활발한 실제 마이크로파 방사선이 검출될수록, 더 낮은 가열 전류가 상기 탐지기에 주입되고, 그 반대도 마찬가지다. 그러한 측정 방법은 인터레이스된 시간으로 캘리브레이션하는 것보다 상당히 큰 동적 범위를 가질 수 있지만, 가열 전류의 연속적인 주입은 탐지기가 인터레이스된 시간으로 캘리브레이션하는 것보다 약간 더 뜨겁게 작동할 것이라는 것을 의미한다. 따라서, 더 넓은 동적 범위는 온도에 어느 정도 비례하는 그러한 간섭 요인의 증가에 따른 비용이 발생할 수 있다.
도 6에 대략적으로 도시된 또 다른 특징은 긴 섹션(404), 짧은 섹션(406), 및 가열 소자(409)의 하나의 대안적인 기하학적 구성이다. 도 4 및 도 5에서, 상기 긴 섹션(404) 및 짧은 섹션(406)은 공통의 길이방향 축을 갖고, 상기 가열 소자(409)는 임의의 수직 변위를 가지고 상기 길이방향 축에 평행하다. 그러한 장치에서, 긴 섹션과 짧은 섹션은 실제로 하나의 옴 전도체 스트립의 일부분으로 제조되고, 초전도성 스트립은 상기 옴 전도체 스트립을 횡단하도록 만들어지고, 상기 저항성 전도체 스트립을 2개의 섹션으로 나눈다. 도 6의 탐지기에서, 긴 섹션(404), 짧은 섹션(406), 및 가열 소자(409)는 상기 짧은 섹션(406)의 길이방향 축에 대하여 대칭인 패턴을 형성한다. 상기 긴 섹션(404)은 상기 짧은 섹션(406)의 길이방향 축으로부터 일측으로 균등하게 변위되고, 가열 소자(409)는 다른 측으로 변위된다.
제조하기에는 좀 더 복잡하지만, 도 6의 대칭적 구성은 긴 섹션(404)과 짧은 섹션(406) 사이의 고온 전자 확산하기 위한 국부적 조건이 가열 소자(409)와 짧은 섹션(406) 사이의 고온 전자 확산과 정확하게 동일하다는 이점에 관계된다. 이는 상기 가열 소자(409)에 가열 전류를 주입하여 탐지기에 전달되는 알려진 양의 캘리브레이션 에너지가 상기 긴 섹션(404)에 결합된 신호 에너지의 동일한 양에 동일한 응답을 야기하는 것을 보장하는데 도움이 될 수 있다.
도 7은 일 실시 양태에 따른 탐지기 장치를 도시한다. 적어도 하나의 탐지기(700)는 전술한 어떤 종류의 탐지기일 수 있고, 흡수체 소자, 가변 임피던스 소자, 및 가열 소자뿐만 아니라 초전도체 스트립이 크리스털 실리콘 같은 회로 기판의 하나 이상의 표면에 형성되는 극저온 칩으로 가장 유리하게 제작될 수 있다.
도 7의 탐지기 장치는 측정 회로(702)를 포함하고, 상기 측정 회로(702)는 탐지기(700) 내의 가변 임피던스 소자의 임피던스의 변화에 의해 야기되는 효과를 측정하도록 구성된다. 일 실시 예로, 상기 측정 회로(702)는 상기 탐지기(700)의 탐지기 출력에 결합된 탱크 회로의 공진 주파수를 측정하도록 구성된 공진 측정 회로일 수 있다.
도 7의 탐지기 장치는 상기 탐지기(700)의 가열 입력을 통해 알려진 크기 흐름의 가열 전류를 생성하도록 구성된 가열 전류 제어기(702)를 포함한다. 측정 회로(702)와 가열 전류 제어기는 모두 제어기(704)의 제어하에서 작동하고, 상기 제어기(704)는 적합한 입력 및 출력 연결을 갖는 프로그래밍 가능한 컴퓨터를 포함할 수 있다.
도 7에서, 탐지기(700)는 상기 신호 입력과 상기 탐지기(700)의 흡수체 소자 사이의 초전도체의 제1 길이를 따라 대역 통과 마이크로파 필터를 포함하는 것으로 가정한다. 상기 대역 통과 마이크로파 필터는 중간 주파수와 그 통과 대역의 폭 중 적어도 하나에 관하여 제어 가능한 것으로 추가로 가정된다. 탐지기 장치는 대역 통과 필터 제어기(705)를 포함하고, 상기 대역 통과 필터 제어기(705)는 탐지기(700) 내에서 대역 통과 마이크로파 필터의 제어 입력에 결합되고, 상기 제어기(704)의 제어 하에서 작동한다.
가열 전류 제어기(703)는 도 6의 아래 부분에 도시된 것과 같은 구성 요소를 포함할 수 있다. 다시 말해, 가열 전류 제어기(703)는 상기 탐지기(700) 내의 제1 및 제2 가열 전류 리드를 가로질러 결합된 전압원과 밸러스트 저항의 직렬 커플링을 포함할 수 있다. 가열 전류 제어기(703)는 또한 제1 및 제2 전류 측정 연결부에 걸쳐 결합된 전압계를 포함할 수 있다. 탐지기(700) 내의 저항성 가열 소자를 가로질러 전압 강하를 측정하도록 적합하게 결합되는 한, 상기 전압계는 또한 측정 회로(702)와 같은 상기 탐지기 장치의 임의의 다른 부분 내에 포함될 수 있다.
상기 제어기(704)는 캘리브레이션과 탐지기(700)의 실제 작동을 제어하도록 프로그래밍 될 수 있다. 일 실시 양태에 따르면, 전술한 직렬 커플링이 상기 가열 소자를 통해 캘리브레이션 전류(또는 임의의 다른 제어 가능한 가열 전류원)를 공급하고, 상기 탐지기(700)의 가변 임피던스 소자가 일부분인 탱크 회로의 공진 주파수 내의 변화와 같은 대응하는 변화를 상기 측정 회로(702)가 측정하도록 함으로써, 탐지기 장치는 탐지기를 캘리브레이트 하도록 구성된다. 상기 탐지기 장치는 또한 마이크로파 방사선을 탐지하는 동안 상기 탱크 회로의 공진 주파수 내의 대응하는 변화와 같은 대응하는 변화를 측정하고, 그러한 변화를 나타내는 측정 신호를 생성하도록 구성될 수 있다.
대안적으로 또는 부가적으로 상기 탐지기 장치는 상기 직렬 커플링(또는 임의의 다른 제어 가능한 가열 전류원)이 피드백 커플링에 의존하여 탐지기(700) 내의 상기 가열 소자를 통해 보상 전류를 공급하도록 구성될 수 있다. 이후 목표는 마이크로파 방사선의 검출 동안 탱크 회로의 공진 주파수를 일정하게 유지하는 것이다. 그러한 경우에, 상기 보상 전류의 크기가 검출된 유입 신호 에너지양에 (반)비례하기 때문에, 상기 탐지기 장치는 상기 보상 전류의 크기를 나타내는 측정 신호를 생성하도록 구성된다.
기술의 진보와 함께 통상의 기술자에게는 본 발명의 기본적인 아이디어가 다양한 방법으로 구현될 수 있다는 것은 자명한 것이다. 따라서, 본 발명과 그 실시 양태는 전술한 실시 예에 국한되지 않고, 대신에 이들은 청구의 범위 내에서 변경될 수 있다. 예를 들어, 비록 서술된 실시 양태가 서로 모두 평행한 흡수체 소자의 길이방향 축, 가변 임피던스 소자, 및 가열 소자를 갖지만, 이는 본 발명의 필요조건이 아니다. 적어도 2개 소자의 길이방향 축은 서로 비스듬한 각도일 수 있다. 예를 들어, 다른 방법으로 도 6의 원리를 따르는 대칭적인 실시 양태에서, 긴 섹션 및 가열 소자는 그 원위(왼-손) 단부가 그 근위(오른-손) 단부보다 서로 멀리 떨어져 있는 V 형상 패턴을 형성할 수 있다.

Claims (13)

  1. - 신호 입력(401) 및 탐지기 출력(402),
    - 초전도체의 제1 길이(405)를 통해 상기 신호 입력(401)에 결합된 옴(ohmic) 전도성의 흡수체 소자(404), 및
    - 초전도체의 제2 길이(407)를 통해 상기 탐지기 출력(402)에 결합되고, 임피던스가 온도의 함수로서 변화하도록 구성되는, 가변 임피던스 소자(406)를 포함하는, 마이크로파 방사선(microwave radiation)의 탐지기에 있어서,
    - 상기 탐지기는 가열 입력(408)을 포함하고,
    - 상기 탐지기는 초전도체의 제3 길이(410)를 통해 상기 가열 입력(408)에 결합된 가열 소자(409)를 포함하고,
    - 상기 흡수체 소자(404), 상기 가변 임피던스 소자(406), 및 상기 가열 소자(409)는, 상기 흡수체 소자(404), 상기 가변 임피던스 소자(406), 및 상기 가열 소자(409) 사이의 고온 전자 확산을 허용하는 반면에 초전도체의 상기 제1 길이(405), 제2 길이(407), 및 제3 길이(410)를 통해 준입자(quasiparticle) 열 전달을 막도록 초전도체의 상기 제1 길이(405), 제2 길이(407), 및 제3 길이(410) 중 어느 것보다 짧은 길이의 초전도체 섹션을 통해 서로 결합되는,
    탐지기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초전도체의 제1 길이(405) 및 제3 길이(410) 중 적어도 하나를 따라 마이크로파 필터(501, 502)를 포함하는,
    탐지기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 초전도체의 제3 길이(410)를 따라 저역 통과 또는 대역 통과 마이크로파 필터(502)를 포함하는,
    탐지기.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 초전도체의 제1 길이(405)를 따라 대역 통과 마이크로파 필터(501)를 포함하는,
    탐지기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 대역 통과 마이크로파 필터(501)는 그 통과 대역의 중간 주파수 및 폭 중 적어도 하나에 대하여 제어 가능한,
    탐지기.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 가열 입력은 상기 가열 소자(409)의 제1 단부에 결합된 제1 가열 입력이고, 제1 가열 전류 리드(601)와 제1 전압 측정 연결부(602)를 포함하고,
    - 상기 탐지기는 상기 가열 소자(409)의 제2 단부에 결합된 제2 가열 입력을 포함하고, 제2 가열 전류 리드(603)와 제2 전압 측정 연결부(604)를 포함하는,
    탐지기.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 흡수체 소자(404)와 상기 가변 임피던스 소자(406)는 공통의 길이방향 축을 갖고,
    - 상기 가열 소자(409)는, 상기 가열 소자로부터 수직 변위를 갖는 상기 흡수체 소자(404)와 상기 가변 임피던스 소자(406) 중 적어도 하나에 평행한,
    탐지기.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 가변 임피던스 소자(406)는 길이방향 축을 갖고,
    - 상기 흡수체 소자(404) 및 상기 가열 소자(409)는 상기 가변 임피던스 소자(406)의 길이방향 축에 대하여 대칭인 패턴을 형성하는,
    탐지기.
  9. 마이크로파 방사선을 탐지하기 위한 탐지기 장치에 있어서,
    - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 탐지기(700) 및
    - 상기 탐지기 출력(402)에 결합된 탱크 회로의 공진 주파수를 측정하도록 구성된 공진 측정 회로(702)를 포함하는,
    탐지기 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    - 상기 가열 입력(408)을 통해 이미 알고 있는 크기의 가열 전류가 흐르도록 구성되는 가열 전류 제어기(703)를 포함하는,
    탐지기 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    - 상기 가열 입력은, 상기 탐지기(700) 내의 상기 가열 소자(409)의 제1 단부에 결합된 제1 가열 입력이고, 제1 가열 전류 리드(601)와 제1 전압 측정 연결부(602)를 포함하고,
    - 상기 탐지기(700)는 상기 탐지기 내의 상기 가열 소자(409)의 제2 단부에 결합된 제2 가열 입력을 포함하고, 제2 가열 전류 리드(603)와 제2 전압 측정 연결부(604)를 포함하고,
    - 상기 가열 전류 제어기(703)는 전압원(606)과 밸러스트 저항(607)의 직렬 커플링을 포함하고, 이는 상기 제1 가열 전류 리드(601) 및 제2 가열 전류 리드(603)에 결합되고,
    - 상기 탐지기 장치는 상기 제1 전압 측정 연결부(602) 및 제2 전압 측정 연결부(604)에 걸쳐 결합된 전압계(609)를 포함하는,
    탐지기 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    - 상기 탐지기 장치는 상기 직렬 커플링이 상기 가열 소자(409)를 통해 캘리브레이션 전류를 공급하고, 상기 탱크 회로의 공진 주파수 내의 대응하는 변화를 측정함으로써 상기 탐지기(700)를 캘리브레이션하도록 구성되고,
    - 상기 탐지기 장치는 마이크로파 방사선의 탐지 동안 상기 탱크 회로의 공진 주파수 내의 변화를 측정하고 상기 변화를 나타내는 측정 신호를 생성하도록 구성되는,
    탐지기 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    - 상기 탐지기 장치는 상기 직렬 커플링이 마이크로파 방사선의 탐지 동안 상기 탱크 회로의 공진 주파수를 일정하게 유지하는 피드백 커플링에 의존하여 상기 가열 소자(409)를 통해 보상 전류를 공급하도록 구성되고,
    - 상기 탐지기 장치는 상기 보상 전류의 크기를 나타내는 측정 신호를 생성하도록 구성되는,
    탐지기 장치.
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