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太赫兹铝超导动态电感探测器阵列设计、制备与特性研究

石晴  
【摘要】:动态电感探测器(Kinetic inductance detectors,KID)是由加州理工学院于2003年首次实验验证,至今在天文观测领域表现出极大潜力的一种超导探测器。相比于其他类型超导探测器,其具有以下独特优势:采用频分复用读出技术大幅简化读出电路,且有效降低成本,非常适合发展为多像元阵列;结构简单,适合平面制备工艺;拥有超高的探测灵敏度和超快的响应时间;可实现宽带频率探测等,非常适合天文成像研究。目前,国外研究项目如NIKA/NIKA2等研制的超导KID探测器阵列已经应用于天文观测。中国正计划在南极冰穹A点或青藏高原建设太赫兹望远镜,在0.35 THz和0.85 THz频段有望采用超导动态电感探测器阵列作为核心探测器。针对南极特殊的应用场景和灵敏度要求,本文开展了太赫兹频段硅基铝薄膜超导动态电感探测器从基本特性到阵列化的系列研究。主要研究内容及创新点包括:1.设计并实验研究了一种三频段铝薄膜超导动态电感探测器,对应频率为0.35 THz、0.85 THz和1.4 THz。利用变温黑体提供辐射,分别测量了三个频段的幅度噪声、响应率、噪声等效功率、响应时间等参数随辐射功率的变化关系,且得到了与仿真结果接近的光学效率。通过实验,在三个太赫兹频段上同时得到探测器光子噪声限制灵敏度特性和与辐射功率无关的探测器灵敏度,最低约为6×10-18 W/Hz0.5,这与理论计算得到的超导薄膜准粒子的产生-复合噪声灵敏度极限一致。2.提出了一种KID探测器零差混频噪声读出系统中I-Q混频器模块两路输出不均衡的校正方法。该方法基于双晶振的自然差频和椭圆拟合,校准后大大拓宽了探测器的动态区间并使最小读出电平降低两个数量级。同时,该方法对探测器系统噪声也有改善作用。3.对0.35 THz频段的8×8超导动态电感探测器阵列进行了系统性深入研究。首先分析了像元对环境温度、辐射功率、读出功率等变化的响应,探测器的幅度和相位噪声等;通过Co60总剂量实验,验证了探测器在一定量的高能粒子辐射下的可靠性;通过设计LED点阵模块,给出了探测器阵列像元物理位置与谐振频率的映射关系,并利用已定位的KID探测器对LED点亮字样进行成像;发现KID在直流偏置下主传输线的半导体-金属接触势垒效应,并测量了其在不同温度下的I-V特性。4.对0.85 THz频段的32×32超导动态电感探测器阵列进行系统的统计性研究。特别是谐振器品质因子、像元数目、噪声等效功率等参数;参与集成了太赫兹超导探测器阵列成像系统,并验证了探测器读出系统和光学响应特性。5.对MgO衬底和Si衬底的单层NbN薄膜和NbN/AlN/NbN三层膜进行晶体学分析,发现AlN与NbN间的晶格失配是引起顶层NbN薄膜晶格点阵方向散乱的主要原因。最后利用椭偏仪给出了太赫兹波段NbN的折射率,并利用Drude模型得到了薄膜的常温复电导率。本论文的研究工作对于理解超导动态电感探测器基本原理及基本噪声极限等物理规律提供了理论和实验支持。探测器多像元阵列化的研究为将来太赫兹波段KID探测器相机在中国南极或青藏高原亚毫米波地面天文观测中应用奠定基础。


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