Kryogener Partikeldetektor – Wikipedia

Kryo-Partikeldetektoren arbeiten bei sehr niedriger Temperatur, typischerweise nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt. Diese Sensoren interagieren mit einem energetischen Elementarteilchen (z. B. einem Photon) und liefern ein Signal, das mit der Art des Teilchens und der Art der Wechselwirkung in Beziehung gesetzt werden kann. Während viele Arten von Partikeldetektoren bei kryogenen Temperaturen mit verbesserter Leistung betrieben werden können, bezieht sich dieser Begriff im Allgemeinen auf Typen, die Spezialeffekte oder Eigenschaften nutzen, die nur bei niedrigen Temperaturen auftreten.

Einführung[edit]

Der am häufigsten genannte Grund für den Betrieb eines Sensors bei niedriger Temperatur ist die Verringerung des thermischen Rauschens, das proportional zur Quadratwurzel der absoluten Temperatur ist. Bei sehr niedrigen Temperaturen werden bestimmte Materialeigenschaften jedoch sehr empfindlich gegenüber Energie, die von Partikeln beim Durchgang durch den Sensor abgelagert wird, und der Gewinn aus diesen Änderungen kann sogar größer sein als der aus der Verringerung des thermischen Rauschens. Zwei solche häufig verwendeten Eigenschaften sind die Wärmekapazität und der spezifische elektrische Widerstand, insbesondere die Supraleitung; Andere Konstruktionen basieren auf supraleitenden Tunnelübergängen, Quasiteilchenfallen, Rotonen in Superfluiden, Magnetbolometern und anderen Prinzipien.

Ursprünglich hat die Astronomie die Entwicklung von Kryodetektoren für optische und infrarote Strahlung vorangetrieben.^[1] Später motivierten Teilchenphysik und Kosmologie die Entwicklung kryogener Detektoren, um bekannte und vorhergesagte Teilchen wie Neutrinos, Axionen und schwach wechselwirkende massive Teilchen (WIMPs) zu erfassen.^[2][3]

Arten von Detektoren für kryogene Partikel[edit]

Kalorimetrische Partikeldetektion[edit]

Ein Kalorimeter ist ein Gerät, das die Wärmemenge misst, die in einer Materialprobe abgelagert wird. Ein Kalorimeter unterscheidet sich von einem Bolometer dadurch, dass ein Kalorimeter Energie misst, während ein Bolometer die Leistung misst.

Unterhalb der Debye-Temperatur eines kristallinen dielektrischen Materials (wie z. B. Silizium) nimmt die Wärmekapazität umgekehrt ab wie der Würfel der absoluten Temperatur. Es wird sehr klein, so dass der Temperaturanstieg der Probe für einen gegebenen Wärmeeintrag relativ groß sein kann. Dies macht es praktisch, ein Kalorimeter herzustellen, das eine sehr große Temperaturschwankung für eine kleine Menge an Wärmeeintrag aufweist, wie die, die von einem vorbeiziehenden Teilchen abgeschieden wird. Der Temperaturanstieg kann mit einem Standardthermistor wie bei einem klassischen Kalorimeter gemessen werden. Im Allgemeinen sind eine kleine Probengröße und sehr empfindliche Thermistoren erforderlich, um einen empfindlichen Partikeldetektor nach diesem Verfahren herzustellen.

Grundsätzlich können verschiedene Arten von Widerstandsthermometern verwendet werden. Die Grenze der Empfindlichkeit gegenüber Energiedeposition wird durch die Größe der Widerstandsschwankungen bestimmt, die wiederum durch thermische Schwankungen bestimmt werden. Da alle Widerstände Spannungsschwankungen aufweisen, die proportional zu ihrer Temperatur sind, ein Effekt, der als Johnson-Rauschen bekannt ist, ist eine Reduzierung der Temperatur oft der einzige Weg, um die erforderliche Empfindlichkeit zu erreichen.

Supraleitende Übergangskantensensoren[edit]

Ein sehr empfindlicher kalorimetrischer Sensor, der als Übergangskantensensor (TES) bekannt ist, nutzt die Supraleitung. Die meisten reinen Supraleiter haben einen sehr scharfen Übergang vom normalen spezifischen Widerstand zur Supraleitung bei einer niedrigen Temperatur. Durch Arbeiten am supraleitenden Phasenübergang führt eine sehr kleine Temperaturänderung infolge der Wechselwirkung mit einem Partikel zu einer signifikanten Widerstandsänderung.

Supraleitende Tunnelübergänge[edit]

Der supraleitende Tunnelübergang (STJ) besteht aus zwei supraleitenden Materialstücken, die durch eine sehr dünne (~ Nanometer) Isolierschicht getrennt sind. Es ist auch als Supraleiter-Isolator-Supraleiter-Tunnelübergang (SIS) bekannt und ist eine Art Josephson-Übergang. Cooper-Paare können über die Isolationsbarriere tunneln, ein Phänomen, das als Josephson-Effekt bekannt ist. Quasiteilchen können auch über die Barriere tunneln, obwohl der Quasiteilchenstrom für Spannungen unterdrückt wird, die weniger als das Doppelte der supraleitenden Energielücke betragen. Ein auf einer Seite eines STJ absorbiertes Photon bricht Cooper-Paare und erzeugt Quasiteilchen. Bei Vorhandensein einer an den Übergang angelegten Spannung tunneln die Quasiteilchen über den Übergang, und der resultierende Tunnelstrom ist proportional zur Photonenenergie. Der STJ kann auch als Überlagerungsdetektor verwendet werden, indem die Änderung der nichtlinearen Strom-Spannungs-Charakteristik ausgenutzt wird, die sich aus dem photonenunterstützten Tunneln ergibt. STJs sind die empfindlichsten verfügbaren Überlagerungsdetektoren für den Frequenzbereich von 100 GHz – 1 THz und werden zur astronomischen Beobachtung bei diesen Frequenzen eingesetzt.

Kinetische Induktivitätsdetektoren[edit]

Der kinetische Induktivitätsdetektor (KID) basiert auf der Messung der Änderung der kinetischen Induktivität, die durch die Absorption von Photonen in einem dünnen Streifen supraleitenden Materials verursacht wird. Die Änderung der Induktivität wird typischerweise als Änderung der Resonanzfrequenz eines Mikrowellenresonators gemessen, und daher werden diese Detektoren auch als kinetische Mikrowelleninduktivitätsdetektoren (MKIDs) bezeichnet.

Supraleitendes Granulat[edit]

Der supraleitende Übergang allein kann verwendet werden, um die durch ein vorbeiziehendes Teilchen verursachte Erwärmung direkt zu messen. Ein supraleitendes Korn vom Typ I in einem Magnetfeld zeigt einen perfekten Diamagnetismus und schließt das Feld vollständig aus seinem Inneren aus. Wenn es leicht unter der Übergangstemperatur gehalten wird, verschwindet die Supraleitung beim Erhitzen durch Partikelstrahlung und das Feld dringt plötzlich in das Innere ein. Diese Feldänderung kann von einer umgebenden Spule erfasst werden. Die Änderung ist reversibel, wenn das Korn wieder abkühlt. In der Praxis müssen die Körner sehr klein und sorgfältig hergestellt und sorgfältig mit der Spule verbunden sein.

Magnetkalorimeter[edit]

Paramagnetische Seltenerdionen werden als Partikelsensoren verwendet, indem die Spinflips der paramagnetischen Atome erfasst werden, die durch Wärme induziert werden, die in einem Material mit geringer Wärmekapazität absorbiert wird. Die Ionen werden als magnetisches Thermometer verwendet.

Andere Methoden[edit]

Phononpartikeldetektion[edit]

Kalorimeter gehen davon aus, dass sich die Probe im thermischen Gleichgewicht befindet oder nahezu im Gleichgewicht ist. In kristallinen Materialien bei sehr niedriger Temperatur ist dies nicht unbedingt der Fall. Viel mehr Informationen können durch Messen der Elementaranregungen des Kristallgitters oder der Phononen gefunden werden, die durch das wechselwirkende Teilchen verursacht werden. Dies kann durch verschiedene Verfahren erfolgen, einschließlich supraleitender Übergangskantensensoren.

Supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren[edit]

Der supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektor (SNSPD) basiert auf einem supraleitenden Draht, der weit unter die supraleitende Übergangstemperatur abgekühlt und mit einem Gleichstrom vorgespannt ist, der nahe am supraleitenden kritischen Strom liegt, aber unter diesem liegt. Das SNSPD besteht typischerweise aus ~ 5 nm dicken Niobnitridfilmen, die als schmale Nanodrähte (mit einer typischen Breite von 100 nm) strukturiert sind. Die Absorption eines Photons bricht Cooper-Paare und reduziert den kritischen Strom unter den Vorspannungsstrom. Ein kleiner nicht supraleitender Abschnitt über die Breite des Nanodrahts wird gebildet.^[4][5] Dieser resistive nicht supraleitende Abschnitt führt dann zu einem nachweisbaren Spannungsimpuls von einer Dauer von etwa 1 Nanosekunde. Die Hauptvorteile dieses Photonendetektortyps sind seine hohe Geschwindigkeit (eine maximale Zählrate von 2 GHz macht sie zur schnellsten verfügbaren) und seine niedrige Dunkelzählrate. Der Hauptnachteil ist das Fehlen einer intrinsischen Energieauflösung.

Rotondetektoren[edit]

In superfluid ⁴Die elementaren kollektiven Anregungen sind Phononen und Rotonen. Ein Teilchen, das in diesem Superfluid auf ein Elektron oder einen Kern trifft, kann Rotonen erzeugen, die bolometrisch oder durch Verdampfung von Heliumatomen nachgewiesen werden können, wenn sie eine freie Oberfläche erreichen. ⁴Er ist an sich sehr rein, so dass sich die Rotonen ballistisch bewegen und stabil sind, so dass große Flüssigkeitsmengen verwendet werden können.

Quasiteilchen in Superfluid ³Er[edit]

In der B-Phase unterhalb von 0,001 K Superfluid ³Er verhält sich ähnlich wie ein Supraleiter. Atompaare sind als Quasiteilchen ähnlich wie Cooper-Paare mit einer sehr kleinen Energielücke in der Größenordnung von 100 Nanoelektronenvolt gebunden. Dies ermöglicht den Aufbau eines Detektors analog zu einem supraleitenden Tunneldetektor. Der Vorteil ist, dass viele (~ 10⁹) Paare könnten durch eine einzige Wechselwirkung erzeugt werden, aber die Schwierigkeiten bestehen darin, dass es schwierig ist, den Normalüberschuss zu messen ³Er Atome produziert und viel Superfluid bei so niedriger Temperatur herzustellen und zu halten.

Verweise[edit]

1. ^{^} Glass, IS (1999). Handbuch der Infrarotastronomie. New York: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-63311-6.
2. ^{^} Primack, JR; D. Seckel; B. Sadoulet (Dezember 1988). “Entdeckung der kosmischen Dunklen Materie”. Jahresrückblick auf die Nuklear- und Teilchenforschung. 38: 751–807. Bibcode:1988ARNPS..38..751P. doi:10.1146 / annurev.ns.38.120188.003535.
3. ^{^} Pretzl, K. (1988). “Suche nach Dunkler Materie” (PDF). Weltraumwissenschaftliche Rezensionen. 130 (1–4): 63–72. Bibcode:2007SSRv..130 … 63P. doi:10.1007 / s11214-007-9151-0.
4. ^{^} Semenov, AD; Gol’Tsman, Gregory N.; Korneev, Alexander A. (2001). “Quantendetektion durch stromführenden supraleitenden Film”. Physica C.. 351 (4): 349–356. Bibcode:2001PhyC..351..349S. doi:10.1016 / S0921-4534 (00) 01637-3.
5. ^{^} Gol’tsman, GN; Okunev, O.; Chulkova, G.; Lipatov, A.; Semenov, A.; Smirnov, K.; Voronov, B.; Dzardanov, A.; et al. (2001). “Pikosekunden-supraleitender optischer Einzelphotonendetektor”. Angewandte Physik Briefe. 79 (6): 705–707. Bibcode:2001ApPhL..79..705G. doi:10.1063 / 1.1388868.

Siehe auch[edit]