Криогенные детекторы частиц работают при очень низкой температуре, обычно всего на несколько градусов выше абсолютного нуля . Эти датчики взаимодействуют с энергичной элементарной частицей (например, фотоном ) и выдают сигнал, который может быть связан с типом частицы и природой взаимодействия. Хотя многие типы детекторов частиц могут работать с улучшенными характеристиками при криогенных температурах, этот термин обычно относится к типам, которые используют особые эффекты или свойства, возникающие только при низкой температуре.
Наиболее часто упоминаемой причиной работы любого датчика при низкой температуре является снижение теплового шума , который пропорционален квадратному корню абсолютной температуры . Однако при очень низкой температуре некоторые свойства материала становятся очень чувствительными к энергии, выделяемой частицами при прохождении через датчик, и выигрыш от этих изменений может быть даже больше, чем от снижения теплового шума. Два таких часто используемых свойства — это теплоемкость и электрическое сопротивление , в частности сверхпроводимость ; другие конструкции основаны на сверхпроводящих туннельных переходах , захвате квазичастиц , ротонах в сверхтекучих жидкостях , магнитных болометрах и других принципах.
Первоначально астрономия подтолкнула разработку криогенных детекторов для оптического и инфракрасного излучения. [1] Позднее физика элементарных частиц и космология мотивировали разработку криогенных детекторов для обнаружения известных и предсказанных частиц, таких как нейтрино , аксионы и слабовзаимодействующие массивные частицы (WIMP). [2] [3]
Калориметр — это устройство, измеряющее количество тепла, отводимого в образец материала. Калориметр отличается от болометра тем, что калориметр измеряет энергию, а болометр — мощность .
Ниже температуры Дебая кристаллического диэлектрического материала (такого как кремний ) теплоемкость уменьшается обратно пропорционально кубу абсолютной температуры. Она становится очень малой, так что повышение температуры образца при заданном подводе тепла может быть относительно большим. Это делает практичным создание калориметра, который имеет очень большой температурный размах при небольшом количестве подводимого тепла, например, откладываемого проходящей частицей. Повышение температуры можно измерить с помощью стандартного типа термистора , как в классическом калориметре. В общем, для создания чувствительного детектора частиц этим методом требуются небольшой размер образца и очень чувствительные термисторы.
В принципе, можно использовать несколько типов термометров сопротивления . Предел чувствительности к энерговыделению определяется величиной колебаний сопротивления, которые, в свою очередь, определяются тепловыми колебаниями . Поскольку все резисторы демонстрируют колебания напряжения, пропорциональные их температуре, эффект, известный как шум Джонсона , снижение температуры часто является единственным способом достижения требуемой чувствительности.
Очень чувствительный калориметрический датчик, известный как датчик края перехода (TES), использует преимущества сверхпроводимости . Большинство чистых сверхпроводников имеют очень резкий переход от нормального сопротивления к сверхпроводимости при некоторой низкой температуре. Работая на сверхпроводящем фазовом переходе, очень небольшое изменение температуры в результате взаимодействия с частицей приводит к значительному изменению сопротивления.
Сверхпроводящий туннельный переход (СТП) состоит из двух частей сверхпроводящего материала, разделенных очень тонким (~ нанометр ) изолирующим слоем. Он также известен как туннельный переход сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС) и является типом перехода Джозефсона . Куперовские пары могут туннелировать через изолирующий барьер, явление, известное как эффект Джозефсона . Квазичастицы также могут туннелировать через барьер, хотя ток квазичастиц подавляется для напряжений, меньших, чем в два раза больше сверхпроводящей энергетической щели. Фотон, поглощенный с одной стороны СТП, разрушает куперовские пары и создает квазичастицы. При наличии приложенного напряжения через переход квазичастицы туннелируют через переход, и результирующий туннельный ток пропорционален энергии фотона. СТП также можно использовать в качестве гетеродинного детектора , используя изменение нелинейной вольт-амперной характеристики , которое возникает в результате туннелирования с помощью фотонов. STJ являются наиболее чувствительными гетеродинными детекторами, доступными для диапазона частот 100 ГГц – 1 ТГц , и используются для астрономических наблюдений на этих частотах.
Детектор кинетической индуктивности (KID) основан на измерении изменения кинетической индуктивности , вызванного поглощением фотонов в тонкой полоске сверхпроводящего материала. Изменение индуктивности обычно измеряется как изменение резонансной частоты микроволнового резонатора , и поэтому эти детекторы также известны как микроволновые детекторы кинетической индуктивности (MKID).
Сверхпроводящий переход сам по себе может быть использован для непосредственного измерения нагрева, вызванного проходящей частицей. Сверхпроводящее зерно I типа в магнитном поле демонстрирует идеальный диамагнетизм и полностью исключает поле из своего внутреннего пространства. Если его удерживать немного ниже температуры перехода, сверхпроводимость исчезает при нагревании излучением частиц, и поле внезапно проникает во внутреннее пространство. Это изменение поля может быть обнаружено окружающей катушкой. Изменение обратимо, когда зерно снова охлаждается. На практике зерна должны быть очень маленькими и тщательно изготовленными, а также тщательно соединенными с катушкой.
Парамагнитные редкоземельные ионы используются в качестве датчиков частиц, определяя перевороты спина парамагнитных атомов, вызванные поглощением тепла в материале с низкой теплоемкостью. Ионы используются в качестве магнитного термометра.
Калориметры предполагают, что образец находится в тепловом равновесии или близко к этому. В кристаллических материалах при очень низкой температуре это не обязательно так. Гораздо больше информации можно получить, измеряя элементарные возбуждения кристаллической решетки, или фононы , вызванные взаимодействующей частицей. Это можно сделать несколькими методами, включая датчики края сверхпроводящего перехода .
Сверхпроводящий нанопроводной однофотонный детектор (SNSPD) основан на сверхпроводящем проводе, охлажденном значительно ниже температуры сверхпроводящего перехода и смещенном постоянным током , который близок, но меньше сверхпроводящего критического тока. SNSPD обычно изготавливается из пленок нитрида ниобия толщиной ≈ 5 нм , которые структурированы как узкие нанопровода (с типичной шириной 100 нм). Поглощение фотона разрушает куперовские пары и снижает критический ток ниже тока смещения. Образуется небольшой несверхпроводящий участок по ширине нанопровода. [4] [5] Этот резистивный несверхпроводящий участок затем приводит к детектируемому импульсу напряжения длительностью около 1 наносекунды. Основными преимуществами этого типа фотонного детектора являются его высокая скорость (максимальная скорость счета 2 ГГц делает их самыми быстрыми из доступных) и его низкая скорость темнового счета. Основным недостатком является отсутствие собственного энергетического разрешения.
В сверхтекучем 4 He элементарными коллективными возбуждениями являются фононы и ротоны . Частица, ударяющаяся об электрон или ядро в этой сверхтекучей жидкости, может производить ротоны, которые можно обнаружить болометрически или по испарению атомов гелия, когда они достигают свободной поверхности. 4 He по своей природе очень чист, поэтому ротоны движутся баллистически и стабильны, так что можно использовать большие объемы жидкости.
В фазе B, ниже 0,001 К, сверхтекучий 3 He действует подобно сверхпроводнику. Пары атомов связаны как квазичастицы, подобные парам Купера с очень малой энергетической щелью порядка 100 наноэлектронвольт . Это позволяет построить детектор, аналогичный сверхпроводящему туннельному детектору. Преимущество состоит в том, что много (~10 9 ) пар могут быть получены одним взаимодействием, но трудности в том, что трудно измерить избыток произведенных нормальных атомов 3 He и приготовить и поддерживать много сверхтекучести при такой низкой температуре.