RU2510056C1

RU2510056C1 - Method of filtering background infrared radiation

Info

Publication number: RU2510056C1
Application number: RU2012141907/28A
Authority: RU
Inventors: Григорий Наумович Гольцман; Александр Александрович Корнеев; Андрей Владимирович Антипов; Ольга Вячеславовна Минаева; Александр Валерьевич Дивочий; Сергей Владимирович Антипов; Юрий Борисович Вахтомин; Константин Владимирович Смирнов
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Сверхпроводниковые нанотехнологии"
Priority date: 2012-10-02
Filing date: 2012-10-02
Publication date: 2014-03-20

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: method of filtering background infrared radiation incident on a superconductor single-photon detector involves transmitting infrared radiation with wavelength of 0.4-1.8 mcm to the superconductor single-photon detector using a single-mode fibre which is partially at temperature of 4.0-4.4 K, wherein the length of the cooled section of the single-mode fibre is 0.2-3.5 m.

EFFECT: high reliability of operation of photon detectors.

3 cl

Description

Изобретение относится к способам уменьшения интенсивности излучения инфракрасного диапазона и может быть использовано в системах оптической волоконной связи на больших расстояниях, в телекоммуникационных технологиях, в системах защиты передаваемой информации с помощью систем квантовой криптографии, диагностике и тестировании больших интегральных схем, в электронике, в спектроскопии одиночных молекул, анализе излучения квантовых точек в полупроводниковых наноструктурах, астрономии и медицине.The invention relates to methods for reducing the intensity of infrared radiation and can be used in optical fiber communication systems over long distances, in telecommunication technologies, in the protection of transmitted information using quantum cryptography systems, in the diagnosis and testing of large integrated circuits, in electronics, in single spectroscopy molecules, analysis of quantum dot radiation in semiconductor nanostructures, astronomy and medicine.

При реализации изобретения по патенту RU 2300825, публ. 10.06.2007, наблюдается чрезмерный нагрев оптоволокна, который приводит к непредвиденным срабатываниям сверхпроводникового однофотонного детектора, вплоть до 10 раз, что негативно сказывается на надежности работы устройства.When implementing the invention according to the patent RU 2300825, publ. 06/10/2007, excessive heating of the optical fiber is observed, which leads to unexpected triggering of the superconducting single-photon detector, up to 10 times, which negatively affects the reliability of the device.

Известен криостат Cryo-Cycle компании Canberra (см. ). Устройство предназначено для охлаждения детекторов, ионизирующих излучение. В системе используется технология охлаждения жидким азотом и с помощью электрического охлаждения. У данного устройства ограниченные возможности, устройство не позволяет охладить оптоволокно до температуры менее 10 К.Known Cryo-Cycle cryostat company Canberra (see). The device is designed to cool detectors that ionize radiation. The system uses liquid nitrogen cooling technology and electric cooling. This device has limited capabilities, the device does not allow cooling the optical fiber to a temperature of less than 10 K.

Задачей изобретения является повышение надежности работы фотонных детекторов.The objective of the invention is to increase the reliability of photon detectors.

Техническим результатом изобретения при его выполнении является уменьшение количества срабатываний фотонного детектора на фоновое излучение объектов, находящихся в условиях температуры окружающей среды 20-28°С.The technical result of the invention when it is carried out is to reduce the number of times the photon detector is triggered by the background radiation of objects that are in an ambient temperature of 20-28 ° C.

Указанная задача и технический результат достигаются тем, что способ фильтрации фонового излучения инфракрасного диапазона, падающего на сверхпроводниковый однофотонный детектор, включает передачу излучения с длиной волны 0,8-1,8 микрометров на сверхпроводниковый однофотонный детектор при помощи одномодового волокна, частично находящегося при температуре 4,0-4,4 К, при этом длина охлаждаемого участка одномодового волокна составляет 0,2-3,5 м.This task and the technical result are achieved by the fact that the method of filtering the background radiation of the infrared range incident on the superconducting single-photon detector includes transmitting radiation with a wavelength of 0.8-1.8 micrometers to the superconducting single-photon detector using a single-mode fiber, partially located at a temperature of 4 , 0-4.4 K, while the length of the cooled section of a single-mode fiber is 0.2-3.5 m

Охлаждение участка одномодового волокна производят путем погружения его в жидкий гелий.The single-mode fiber section is cooled by immersing it in liquid helium.

Предпочтительно, если одномодовое волокно устанавливают вплотную к детектору, что способствует минимизации потерь падающего излучения.Preferably, if the single-mode fiber is installed close to the detector, which helps to minimize the loss of incident radiation.

Экспериментальным путем установлено, что для уменьшения количества срабатываний сверхпроводникового однофотонного детектора до 5-7 раз в секунду на фоновое излучение объектов, находящихся при температуре 300 К, необходимо увеличение длины охлажденного волокна до 2,5 м и более, а для уменьшения количества срабатываний однофотонного детектора до 1 раза в секунду необходимо увеличение длины охлажденного волокна до 3,5 метров.It was established experimentally that to reduce the number of times a superconducting single-photon detector is triggered to 5-7 times per second by background radiation of objects at a temperature of 300 K, it is necessary to increase the length of the cooled fiber to 2.5 m or more, and to reduce the number of times a single-photon detector up to 1 time per second, it is necessary to increase the length of the chilled fiber to 3.5 meters.

Для уменьшения длины охлаждаемого волокна и при сохранении допустимого уровня фонового излучения, попадающего на детектор, возможно изменение пространственного расположения охлаждаемой части одномодового волокна для создания условий, повышающих потери в волокне вне полосы его пропускания.To reduce the length of the cooled fiber and while maintaining an acceptable level of background radiation incident on the detector, it is possible to change the spatial arrangement of the cooled part of the single-mode fiber to create conditions that increase the loss in the fiber outside its transmission band.

Одномодовое волокно по своей природе является полосно-пропускающим фильтром с длинноволновой границей приблизительно 1,8 микрометров. Кроме этого, известно, что максимум фонового излучения объектов, находящихся при температуре, близкой к комнатной, приходится на диапазон длин волн 8-10 микрометров. Увеличение длины волокна приводит к большей величине затухания (аттенюации) излучения вне полосы пропускания волокна, а охлаждение волокна уменьшает уровень мощности, излучаемой волокном, также вне полосы пропускания волокна. Таким образом, увеличение длины волокна, находящегося при низкой температуре, приводит к значительному уменьшению величины спектральной мощности излучения вне полосы пропускания и тем самым к значительному уменьшению интегральной мощности фонового излучения, передаваемой по волокну.A single-mode fiber is inherently a band-pass filter with a long-wavelength boundary of approximately 1.8 micrometers. In addition, it is known that the maximum background radiation of objects at a temperature close to room temperature is in the wavelength range of 8-10 micrometers. Increasing the fiber length leads to a greater attenuation of the radiation outside the fiber bandwidth, and cooling the fiber decreases the power level emitted by the fiber, also outside the fiber bandwidth. Thus, an increase in the length of the fiber at a low temperature leads to a significant decrease in the spectral power of the radiation outside the passband, and thereby to a significant decrease in the integrated power of the background radiation transmitted through the fiber.

Предлагаемый способ фильтрует как фоновое излучение самого волокна методом его максимального охлаждения, так и фильтрует всевозможные излучения из помещения (дневной свет, приборы) методом увеличения длины охлажденного волокна.The proposed method filters both the background radiation of the fiber itself by its maximum cooling method, and filters all kinds of radiation from the room (daylight, devices) by increasing the length of the cooled fiber.

Выбор диапазона длины излучения инфракрасного диапазона от 0,4 до 1,8 микрометров обусловлен тем, что использование волокон на других длинах волн приводит к сильному затуханию в них. В диапазоне длин охлаждаемых участков одномодового волокна 0,2-3,5 м возможно эффективное изменение уровня фоновой засветки в зависимости от поставленных задач. Неиспользование волокна длиной менее 0,2 м связано с особенностями измерительных установок, волокно может не дотянуться от детектора до выхода, где заводится свет. При длине волокна более 3,5 может происходить спад фоновой засветки. При охлаждении детектора до температуры менее 4,0 К растет фоновая засветка, охлаждение более 4,4 К не дает ощутимого эффекта.The choice of the range of the infrared radiation length from 0.4 to 1.8 micrometers is due to the fact that the use of fibers at other wavelengths leads to strong attenuation in them. In the range of lengths of the cooled sections of single-mode fiber 0.2-3.5 m, an effective change in the level of background illumination is possible depending on the tasks. The non-use of a fiber shorter than 0.2 m in length is associated with the features of the measuring installations; the fiber may not reach from the detector to the exit where the light starts. With fiber lengths greater than 3.5, background illumination may decline. When the detector is cooled to a temperature of less than 4.0 K, background illumination increases, cooling more than 4.4 K does not produce a noticeable effect.

Работает предлагаемый способ фильтрации фонового излучения инфракрасного диапазона, падающего на сверхпроводниковый однофотонный детектор следующим образом.The proposed method of filtering the background radiation of the infrared range incident on a superconducting single-photon detector works as follows.

Рабочий элемент сверхпроводникового однофотонного детектора совмещается с одним концом одномодового волокна таким образом, чтобы завести на него максимум падающего излучения. Как правило, сам детектор со схемой съема электрического сигнала и оптическим волокном расположены в специальном металлическом держателе, который позволяет надежно закрепить все узлы с возможностью последующего его размещения в сосуде Дьюара с жидким гелием при температуре, приблизительно равной 4.2 К. Таким образом, происходит охлаждение всех узлов до температуры жидкого гелия. На другой конец одномодового волокна, расположенного вне сосуда Дьюара где поддерживается комнатная температура 300 К, подается исследуемое оптическое излучение. В зависимости от того, на какой длине волны проводятся измерения (0,4-1,8 микрометров), подбирается специальный тип одномодового волокна, в котором минимизированы потери на данной длине волны. Как правило, они различаются размером сердцевины, по которой распространяется излучение, и типом его материала. Таким образом, вдоль волокна образуется градиент температуры от 4.2 К до 300 К. Через ту часть волокна, температура которого лежит вблизи 300 К, неизбежно заходит помимо исследуемого сигнала еще и фоновая засветка, обусловленная тем, что все нагретые тела излучают электромагнитные волны, длина волны которых определяется через температуру излучающего тела через закон смещения ВинаThe working element of the superconducting single-photon detector is aligned with one end of the single-mode fiber in such a way as to bring the maximum of the incident radiation onto it. As a rule, the detector itself with an electric signal pickup circuit and an optical fiber is located in a special metal holder, which allows you to securely fix all the nodes with the possibility of its subsequent placement in a Dewar vessel with liquid helium at a temperature of approximately 4.2 K. Thus, all nodes to the temperature of liquid helium. At the other end of the single-mode fiber, located outside the Dewar vessel where the room temperature of 300 K is maintained, the studied optical radiation is supplied. Depending on what wavelength measurements are taken (0.4-1.8 micrometers), a special type of single-mode fiber is selected in which losses at a given wavelength are minimized. As a rule, they differ in the size of the core along which the radiation propagates, and the type of its material. Thus, a temperature gradient is formed along the fiber from 4.2 K to 300 K. Through that part of the fiber, the temperature of which lies near 300 K, in addition to the signal under investigation, background illumination also comes due to the fact that all heated bodies emit electromagnetic waves, wavelength which is determined through the temperature of the radiating body through the Wien displacement law

$λ_{\max} = 0,29 \frac{1}{T}$

λ_{\max} = 0.29 \frac{one}{T}

где Т - температура черного тела, выраженная в градусах Кельвина, λ_max - длина волны (в сантиметрах), при которой излучательная способность черного тела максимальна. В нашем случае все излучающие тела не относятся к абсолютно черным, а являются серыми, однако закон Вина можно использовать для приближенных оценок. Расчет показывает, что диапазон длин волн при фоновой засветке составляет 8-10 микрометров при температурах тел в диапазоне 290-360 К. Поскольку одномодовое волокно оптимизировано на длины волн 0,4-1,8 мкм, то излучение вне этого диапазона будет ослабляться при прохождении через него. С другой стороны величина затухания излучения зависит от толщины слоя, через который оно проходит. Поэтому увеличение длины волокна (толщины слоя) приводит к большему затуханию излучения в диапазоне 8-10 мкм, тогда как затухание на рабочих длинах волн 0,4-1,8 мкм очень слабо зависит от длины волокна. Для того чтобы исключить фоновую засветку, обусловленную самим волокном, целесообразно его охладить до наименьшей температуры, поскольку спектральная мощность излучения тела падает при понижении eго температуры. Таким образом, предлагается большую часть длинного волокна разместить в наиболее холодном месте сосуда Дьюара: частично в самом гелии, частично у его поверхности.where T is the temperature of the black body, expressed in degrees Kelvin, λ _max is the wavelength (in centimeters) at which the emissivity of the black body is maximum. In our case, all radiating bodies are not absolutely black, but gray, but Wien's law can be used for approximate estimates. The calculation shows that the wavelength range for background illumination is 8-10 micrometers at body temperatures in the range 290-360 K. Since a single-mode fiber is optimized for wavelengths of 0.4-1.8 μm, radiation outside this range will be attenuated when passing through through him. On the other hand, the amount of attenuation of the radiation depends on the thickness of the layer through which it passes. Therefore, an increase in fiber length (layer thickness) leads to a greater attenuation of radiation in the range of 8-10 microns, while attenuation at operating wavelengths of 0.4-1.8 microns is very weakly dependent on the fiber length. In order to exclude the background illumination caused by the fiber itself, it is advisable to cool it to the lowest temperature, since the spectral radiation power of the body decreases with a decrease in its temperature. Thus, it is proposed to place most of the long fiber in the coldest place of the Dewar vessel: partly in the helium itself, partly at its surface.

Изобретение может найти широкое применение в промышленности, а именно может быть использовано в системах оптической волоконной связи, в телекоммуникационных технологиях, в системах защиты передаваемой информации с помощью систем квантовой криптографии, диагностике и тестировании больших интегральных схем, в электронике, в спектроскопии одиночных молекул, анализе излучения квантовых точек в полупроводниковых наноструктурах, астрономии и медицине.The invention can be widely used in industry, namely, it can be used in optical fiber communication systems, in telecommunication technologies, in systems for protecting transmitted information using quantum cryptography systems, diagnostics and testing of large integrated circuits, in electronics, in single-molecule spectroscopy, analysis radiation of quantum dots in semiconductor nanostructures, astronomy and medicine.

Claims

1. The method of filtering the background radiation of the infrared range incident on the superconducting single-photon detector, includes transmitting infrared radiation with a wavelength of 0.4-1.8 micrometers to the superconducting single-photon detector using a single-mode fiber, partially located at a temperature of 4.0-4, 4 K, while the length of the cooled section of the single-mode fiber is 0.2-3.5 m

2. The method of filtering background radiation according to claim 1, characterized in that the cooling section of a single-mode fiber is produced by immersing it in liquid helium.

3. The method of filtering background radiation according to claim 1, characterized in that the single-mode fiber is installed close to the detector.