Kriyojenik parçacık detektörü - Cryogenic particle detector - Wikipedia
Kriyojenik parçacık dedektörleri çok düşük sıcaklıkta, tipik olarak sadece birkaç derece yukarıda çalışır tamamen sıfır. Bunlar sensörler enerjik bir etkileşim temel parçacık (gibi foton ) ve parçacık türü ve etkileşimin doğası ile ilgili olabilecek bir sinyal iletir. Birçok türde partikül dedektörü, aşağıdaki alanlarda iyileştirilmiş performansla çalıştırılabilir. kriyojenik sıcaklıklar, bu terim genellikle yalnızca düşük sıcaklıkta meydana gelen özel efektlerden veya özelliklerden yararlanan türleri ifade eder.
Giriş
Herhangi bir sensörü düşük sıcaklıkta çalıştırmanın en yaygın olarak belirtilen nedeni, termal gürültü, karekök ile orantılıdır mutlak sıcaklık. Bununla birlikte, çok düşük sıcaklıkta, belirli malzeme özellikleri, sensörden geçerken parçacıkların biriktirdiği enerjiye karşı çok hassas hale gelir ve bu değişikliklerden elde edilen kazanç, termal gürültüdeki azalmadan bile daha fazla olabilir. Bu tür yaygın olarak kullanılan iki özellik şunlardır: ısı kapasitesi ve elektriksel direnç, özellikle süperiletkenlik; diğer tasarımlar süper iletkenliğe dayanır tünel kavşakları, yarı parçacık tuzak rotonlar içinde süperakışkanlar, manyetik bolometreler ve diğer ilkeler.
Başlangıçta astronomi, optik ve kızılötesi radyasyon için kriyojenik dedektörlerin geliştirilmesini teşvik etti.[1] Daha sonra, parçacık fiziği ve kozmoloji, kriyojenik detektör geliştirmeyi, bilinen ve tahmin edilen, nötrinolar, eksenler, ve zayıf etkileşimli büyük parçacıklar (WIMP'ler).[2][3]
Kriyojenik parçacık dedektörlerinin türleri
Kalorimetrik partikül tespiti
Bir kalorimetre miktarını ölçen bir cihazdır sıcaklık bir malzeme numunesine bırakılır. Bir kalorimetre a'dan farklıdır bolometre bir kalorimetre enerjiyi ölçerken, bir bolometre ölçer güç.
Altında Debye sıcaklığı kristalin dielektrik malzeme (örneğin silikon ), ısı kapasitesi, mutlak sıcaklığın küpü olarak ters orantılı olarak azalır. Çok küçük hale gelir, böylece belirli bir ısı girdisi için numunenin sıcaklıktaki artışı nispeten büyük olabilir. Bu, geçen bir partikül tarafından biriktirilenler gibi, az miktarda ısı girdisi için çok büyük bir sıcaklık sapmasına sahip bir kalorimetre yapmayı pratik hale getirir. Sıcaklık artışı, standart bir tür ile ölçülebilir. termistör, klasik bir kalorimetrede olduğu gibi. Genelde bu yöntemle hassas bir partikül dedektörü yapmak için küçük numune boyutu ve çok hassas termistörler gerekir.
Prensip olarak, birkaç tür dirençli termometreler kullanılabilir. Enerji birikimine duyarlılık sınırı, sırasıyla aşağıdakiler tarafından belirlenen direnç dalgalanmalarının büyüklüğü ile belirlenir. termal dalgalanmalar. Her şeyden beri dirençler sıcaklıkları ile orantılı voltaj dalgalanmaları sergilerler, bu etki Johnson gürültüsü, genellikle gerekli hassasiyeti elde etmenin tek yolu sıcaklığın düşürülmesidir.
Süper iletken geçiş kenarı sensörleri
Çok hassas bir kalorimetrik sensör olarak bilinen geçiş kenarı sensörü (TES) şunlardan yararlanır: süperiletkenlik. Çoğu saf süperiletken, bazı düşük sıcaklıklarda normal dirençten süper iletkenliğe çok keskin bir geçişe sahiptir. Süper iletken faz geçişi üzerinde çalışarak, bir partikül ile etkileşimden kaynaklanan sıcaklıktaki çok küçük bir değişiklik, dirençte önemli bir değişikliğe neden olur.
Süperiletken tünel kavşakları
süper iletken tünel kavşağı (STJ) iki parçadan oluşur süper iletken çok ince bir (~nanometre ) yalıtım katman. Aynı zamanda bir süperiletken-yalıtkan-süperiletken tünel bağlantısı (SIS) ve bir tür Josephson kavşağı. Cooper çiftleri Yapabilmek tünel yalıtım bariyerinin karşısında, Josephson etkisi. Quasiparticles Aynı zamanda, yarı parçacık akımı, süperiletken enerji aralığının iki katından daha az voltajlar için bastırılmasına rağmen, bariyer boyunca tünel açabilir. Bir STJ'nin bir tarafında emilen bir foton, Cooper çiftlerini kırar ve kuasipartiküller oluşturur. Bağlantı boyunca uygulanan voltajın varlığında, kuasipartiküller bağlantı boyunca tünel oluşturur ve ortaya çıkan tünelleme akımı foton enerjisi ile orantılıdır. STJ ayrıca bir heterodin dedektörü doğrusal olmayan değişimden yararlanarak akım-gerilim karakteristiği bu, foton destekli tünellemeden kaynaklanır. STJ'ler, 100 GHz - 1 için mevcut olan en hassas heterodin dedektörlerdirTHz frekans aralığı ve astronomik bu frekanslarda gözlem.
Kinetik endüktans dedektörleri
kinetik endüktans detektörü (KID), kinetik indüktans fotonların ince bir şerit halinde emilmesinden kaynaklanır. süper iletken malzeme. Endüktanstaki değişiklik tipik olarak, bir frekansın rezonans frekansındaki değişiklik olarak ölçülür. mikrodalga rezonatör ve dolayısıyla bu dedektörler aynı zamanda mikrodalga kinetik endüktans dedektörleri (MKID'ler) olarak da bilinir.
Süper iletken granüller
Tek başına süper iletken geçiş, geçen bir partikülün neden olduğu ısınmayı doğrudan ölçmek için kullanılabilir. Manyetik bir alandaki tip-I süper iletken bir tahıl, mükemmel diyamanyetizma ve alanı tamamen iç kısmından dışlar. Geçiş sıcaklığının biraz altında tutulursa, süper iletkenlik ısınma üzerine partikül radyasyonu ile yok olur ve alan aniden iç kısma girer. Bu alan değişikliği, çevreleyen bir bobin tarafından tespit edilebilir. Tahıl tekrar soğuduğunda değişiklik tersine çevrilebilir. Pratikte taneler çok küçük olmalı ve dikkatlice yapılmalı ve bobine dikkatlice bağlanmalıdır.
Manyetik kalorimetreler
Paramanyetik nadir toprak iyonlar, düşük ısı kapasiteli bir malzemede emilen ısının neden olduğu paramanyetik atomların dönme hareketlerini algılayarak parçacık sensörleri olarak kullanılmaktadır. İyonlar manyetik termometre olarak kullanılır.
Diğer yöntemler. Diğer metodlar
Fonon parçacık tespiti
Kalorimetreler numunenin içinde olduğunu varsayar Termal denge ya da neredeyse öyledir. Çok düşük sıcaklıktaki kristalli malzemelerde bu zorunlu değildir. Kristal kafesin temel uyarımlarını ölçerek çok daha fazla bilgi bulunabilir veya fononlar, etkileşen parçacığın neden olduğu. Bu, süper iletkenlik dahil olmak üzere çeşitli yöntemlerle yapılabilir. geçiş kenarı sensörleri.
Süper iletken nanotel tek foton dedektörleri
süper iletken nanotel tek foton detektörü (SNSPD), süper iletken geçiş sıcaklığının çok altında soğutulmuş ve bir dc ile önyargılı bir süper iletken tele dayanır. akım bu, süper iletken kritik akıma yakın ancak bundan daha azdır. SNSPD tipik olarak ≈ 5 nm kalınlığından yapılır niyobyum nitrür dar nanoteller olarak desenli filmler (tipik genişliği 100 nm). Foton kırılmalarının soğurulması Cooper çiftleri ve kritik akımı ön gerilim akımının altına düşürür. Nanotelin genişliği boyunca süper iletken olmayan küçük bir bölüm oluşturulur.[4][5] Bu dirençli süper iletken olmayan bölüm daha sonra yaklaşık 1 nanosaniyelik bir süre boyunca saptanabilir bir voltaj darbesine yol açar. Bu tür foton dedektörünün ana avantajları, yüksek hızı (2 GHz'lik maksimum sayım oranı, onları mevcut en hızlı hale getirir) ve düşük karanlık sayım oranıdır. Ana dezavantaj, içsel enerji çözünürlüğünün olmamasıdır.
Roton dedektörleri
Süperakışkan olarak 4O temel kolektif heyecanlar fononlar ve rotonlar. Bu süper sıvıdaki bir elektron veya çekirdeğe çarpan bir parçacık, bolometrik olarak veya helyum atomlarının serbest bir yüzeye ulaştıklarında buharlaşmasıyla tespit edilebilen rotonlar üretebilir. 4Doğası gereği çok saftır, bu nedenle rotonlar balistik olarak hareket eder ve stabildir, böylece büyük hacimlerde sıvı kullanılabilir.
Süperakışkan içindeki kuasipartiküller 3O
B fazında, 0.001 K'nin altında süperakışkan 3O bir süper iletkene benzer şekilde davranır. Atom çiftleri yarı parçacıklar Cooper'a benzer 100 nano düzeyinde çok küçük bir enerji boşluğuna sahip çiftlerelektron voltajları. Bu, bir süperiletken tünel dedektörüne analog bir dedektör oluşturmaya izin verir. Avantajı bu kadar (~ 109) çiftler tek bir etkileşimle üretilebilir, ancak zorluklar, normalin fazlalığını ölçmenin zor olmasıdır. 3Atomlar üretti ve bu kadar düşük sıcaklıkta çok süper akışkan hazırlayıp muhafaza etti.
Referanslar
- Twerenbold, Damian (Aralık 1996). "Kriyojenik Parçacık Detektörleri". Rep. Prog. Phys. 59 (3): 349–426. Bibcode:1996RPPh ... 59..349T. doi:10.1088/0034-4885/59/3/002.
- Enss, Christian (Editör) (2005). Kriyojenik Parçacık Tespiti. Springer, Uygulamalı fizikte konular 99. ISBN 978-3-540-20113-7.CS1 bakimi: ek metin: yazarlar listesi (bağlantı)
- ^ Glass, I. S. (1999). Kızılötesi Astronomi El Kitabı. New York: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-63311-6.
- ^ Primack, J. R .; D. Seckel; B. Sadoulet (Aralık 1988). "Kozmik Karanlık Maddenin Tespiti". Nükleer ve Parçacık Biliminin Yıllık Değerlendirmesi. 38: 751–807. Bibcode:1988ARNPS..38..751P. doi:10.1146 / annurev.ns.38.120188.003535.
- ^ Pretzl, K. (1988). "Karanlık Madde Aramaları" (PDF). Uzay Bilimi Yorumları. 130 (1–4): 63–72. Bibcode:2007SSRv..130 ... 63P. doi:10.1007 / s11214-007-9151-0.
- ^ Semenov, A. D .; Gol’Tsman, Gregory N .; Korneev, Alexander A. (2001). "Akım taşıyan süper iletken film ile kuantum algılama". Physica C. 351 (4): 349–356. Bibcode:2001PhyC..351..349S. doi:10.1016 / S0921-4534 (00) 01637-3.
- ^ Gol'tsman, G. N .; Okunev, O .; Chulkova, G .; Lipatov, A .; Semenov, A .; Smirnov, K .; Voronov, B .; Dzardanov, A .; et al. (2001). "Pikosaniye süper iletken tek foton optik detektörü". Uygulamalı Fizik Mektupları. 79 (6): 705–707. Bibcode:2001ApPhL..79..705G. doi:10.1063/1.1388868.