Введение к работе
1. Актуальность темы
Детекторы, основанные на использовании сверхпроводящих туннельных переходов (СТП-детекторы), обладают рекордным энергетическим разрешением, более чем на порядок превышающим разрешение традиционных полупроводниковых детекторов. Низкий энергетический порог позволяет регистрировать кванты излучения или частицы в широком диапазоне энергий от десятков кэВ до долей электрон-вольта. Иными словами, данные детекторы могут быть использованы для регистрации мягкого рентгеновского, ультрафиолетового, оптического и даже инфракрасного излучения.
С помощью СТП-детекторов можно регистрировать Р-частицы, осколки деления и другие ядерные частицы (например, гипотетические частицы темной материи) при условии, что их энерговыделение не превышает -100 кэВ. СТП-детекторы могут быть использованы в прецизионной гамма-, рентгеновской и ультрафиолетовой спектроскопии, в рентгеновской и оптической астрономии, для регистрации тяжелых биомолекул, для работы с мощными пучками излучения и в других приложениях. В связи с этим, работы по изучению и разработке СТП-детекторов являются актуальными и важными.
СТП-детекторы являются принципиально новыми устройствами, не реализованными ранее. Изучение таких устройств позволяет получить новые данные относительно поведения неравновесных квазичастиц и фононов, возникающих в сверхпроводниках при поглощении в них квантов излучения или частиц. СТП-детекторы имеют многослойную структуру электродов и являются удобными объектами для детального изучения эффектов теории близости.
Формирование сигнала и собственные шумы данных детекторов являются результатом взаимовлияния ряда процессов и представляют самостоятельный научный интерес. Обеспечение оптимальных условий работы СТП-детекторов требует выполнения целого ряда условий, что имеет как общее, так и прикладное значение.
2. Цель работы
Целью настоящей работы является изучение физических процессов и разработка основ создания сверхпроводящих туннельных детекторов ядерных излучений, имеющих многослойную структуру электродов и реализующих принцип энергетических ловушек квазичастиц.
3. Основные положения, выносимые на защиту
-
Разработка и экспериментальные исследования образцов туннельных детекторов с многослойной структурой электродов, в том числе, детекторов с трехслойным электродом Al/Nb/NbN, обеспечивающим условия направленной диффузии квазичастиц к туннельному барьеру, и детекторов с пассивными электродами Al/Nb и Ti/Nb. Исследования детекторов со структурой Ti/Nb/A1,A10X/Al/Nb/NbN, имеющих энергетическое разрешение 90 эВ на рентгеновской линии 6 кэВ, что в ~ 1.7 раза лучше разрешения кремниевых полупроводниковых детекторов.
-
Анализ временной формы сигналов и собственных шумов СТП-детекторов, учитывающий конкуренцию электронного и дырочного каналов туннелирования и режим многократного туннелирования квазичастиц. Получение аналитического выражения для собственной ширины линии. Вывод о том, что конкуренция каналов туннелирования ведет к заметному уширению линии СТП-детекторов.
Расчет допустимых значений электрических параметров СТП-детекторов, обеспечивающий заданный уровень электронных шумов (например, 80 эВ, 40 эВ и т.д.).
3. Разработка диффузионной модели туннельных детекторов, учитывающей двумерное
диффузионное движение квазичастиц, их туннелирование и гибель, как в объеме
электрода, так и вблизи боковых граней, в том числе для электродов ромбической
формы. Анализ энергетического разрешения детекторов, в условиях зависимости
сигнала от координаты поглощения кванта (неоднородное уширение). Расчет формы
спектральной линии для детекторов, имеющих различную форму электродов.
Сравнение расчетов с экспериментальными данными.
-
Экспериментальные исследования зависимости амплитуды сигнала СТП-детектора от энергии поглощенного кванта, проведенные методом рентгеновской флюоресценции. Обнаружение сильной нелинейности отклика детектора, обусловленной собственной рекомбинацией неравновесных квазичастиц.
-
Разработка диффузионной модели СТП-детекторов с учетом рекомбинационных потерь. Согласованное описание, как формы спектральной линии детектора, так и нелинейной зависимости амплитуды сигнала от энергии поглощенного кванта. Вывод о том, что собственная рекомбинация неравновесных квазичастиц является одним из основных механизмов деградации энергетического разрешения. Формула для оценки вклада рекомбинационных потерь в сигнал детектора.
-
Результаты экспериментальных исследований СТП-детекторов со структурой Ti/Nb(l)/Al,A10x/Al(2)/Nb(2)/NbN: Оптимизация конструкции детекторов с точки зрения улучшения энергетического разрешения и улучшения качества спектров.
-
Создание двумерной диффузионной модели стриповых позиционно-чувствительных СТП-детекторов. Анализ влияния краевых и рекомбинационных потерь квазичастиц на амплитуды сигналов и их зависимость от координаты поглощения кванта в поперечном направлении. Анализ уширения спектральной линии и искажения ее формы.
4. Новизна основных результатов
-
Впервые исследованы СТП-детекторы с многослойной структурой электродов (Al/Nb/Al,A10x/Al/Nb/NbN) и Ti/Nb/Al,A10x/Al/Nb/NbN, в которых основной поглощающий электрод состоял из трех слоев: Al/Nb/(NbN), а противоположный электрод содержал два слоя - Al/Nb или Ti/Nb, где слои-ловушки А1 или Ті имели меньшую ширину сверхпроводящей щели и обеспечивали быстрое поглощение неравновесных квазичастиц. Такие детекторы получили название СТП-детекторов с пассивным электродом. Лучшее энергетическое разрешение при рабочей температуре 1.25 К составило 90 эВ для линии 6 кэВ.
-
Впервые рассмотрено подавление джозефсоновского поля внешним магнитным полем и структура мод Фиски в СТП-детекторах, имеющих электроды ромбической формы.
-
Впервые рассмотрены собственные шумы СТП-детекторов в режиме многократного туннелирования и при конкуренции электронного и дырочного каналов туннелирования. Получено математическое выражение для собственной ширины линии. Проведен анализ электронных шумов СТП-детекторов; определены допустимые области значений электрических параметров, обеспечивающие различные уровни энергетического разрешения (например, вклад электронных шумов 80 эВ, 40 эВ и т.д.).
-
Впервые разработана диффузионная модель туннельных детекторов, имеющих ромбическую форму электродов. Проведены расчеты сигналов детектора для различных координат поглощения кванта. Показано, что потери квазичастиц вблизи боковых граней электродов приводят к уменьшению амплитуды сигналов и вызывают заметное ухудшение энергетического разрешения детектора (неоднородное уширение), в том числе в режиме многократного туннелирования квазичастиц. Проведено сравнение формы спектральной линии для детекторов, имеющих различную форму электродов. Впервые показано, что электроды, имеющие «юбки», т.е. области вдоль внешнего периметра без непосредственного контакта с туннельным барьером, вызывают сильную деградацию энергетического разрешения детекторов.
-
Для детекторов с пассивным Ti/Nb-электродом обнаружена сильная нелинейность отклика детектора, обусловленная собственной рекомбинацией неравновесных квазичастиц.
-
В рамках диффузионной модели рассмотрено влияние рекомбинационных потерь на сигнал СТП-детектора. Впервые дано согласованное описание, как формы спектральной линии детектора, так и зависимости амплитуды сигнала от энергии поглощенного кванта. Показано, что собственная рекомбинация неравновесных квазичастиц является одним из основных механизмов деградации энергетического разрешения. Предложена простая формула для оценки вклада рекомбинационных потерь в сигнал детектора.
-
Для детекторов Ti/Nb(l)/Al,A10x/Al(2)/Nb(2)/NbN были изучены амплитуды сигналов и спектральная ширина линии в зависимости от площади и толщины электродов, приложенного напряжения и рабочей температуры. Показано, что увеличение толщин слоев Nb(l) и Nb(2) ведет к улучшению характеристик детекторов. В частности, увеличение толщины верхнего электрода увеличивает эффективность детектора,
уменьшает уровень фона и снижает нелинейность отклика детектора. Увеличение толщины слоя Nb(l) ослабляет нежелательный сигнал нижнего пассивного электрода. 8. Проведено теоретическое рассмотрение полосковых (стриповых) позиционно-чувствительных СТП-детекторов. На основе двумерной диффузионной модели рассмотрено влияние краевых и рекомбинационных потерь квазичастиц на сигнал детектора и на ширину и форму спектральной линии. Показано, что зависимость амплитуды сигналов от координаты поглощения кванта в поперечном направлении ведет к деградации энергетического разрешения.
5. Научная и практическая ценность работы
На основе двумерной диффузионной модели рассмотрены основные механизмы, определяющие формирование сигнала СТП-детекторов. Показано, что такие процессы, как собственная рекомбинация квазичастиц и потери квазичастиц в области периметра электродов, приводят к ухудшению энергетического разрешения. Проведено сравнение модели с экспериментом. Определены условия, позволяющие ослабить влияние этих процессов.
Впервые рассмотрены собственные шумы СТП-детекторов в условиях конкуренции электронного и дырочного каналов туннелирования.
Проведены экспериментальные исследования СТП-детекторов с пассивным электродом. Для детекторов структурой Ti/Nb/Al,A10x/Al/Nb/NbN, в которой электрод Ti/Nb является пассивным, получено энергетическое разрешение на уровне 90 эВ на линии 6 кэВ, что в -1.7 раза лучше разрешения полупроводниковых детекторов.
Впервые проведено теоретическое рассмотрение стриповых позиционно-чувствительных СТП-детекторов на основе двумерной диффузионной модели. Рассмотрено влияние краевых и рекомбинационных потерь квазичастиц на ширину и форму спектральной линии.
Результаты работы могут быть использованы при создании как отдельных СТП-детекторов, так и матриц СТП-детекторов, работающих в оптическом, ультрафиолетовом или рентгеновском диапазонах. Полученные данные являются основой для разработки стриповых позиционно-чувствительных СТП-детекторов. Результаты исследований могут быть использованы в НИИЯФ МГУ, на Физическом факультете МГУ, в Физическом
институте им. П.Н. Лебедева (ФИАН) РАН, в Институте радиотехники и электроники (ИРЭ) РАН, в Национальном исследовательском ядерном университете (МИФИ), в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ Дубна), в Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт».
6. Достоверность результатов.
Достоверность результатов диссертации подтверждается повторяемостью или близостью экспериментальных данных, полученных в различных сериях измерений и для подобных образцов. Экспериментальные данные и их анализ подтверждаются опубликованными данными других авторов в тех случаях, когда сравнение оказывается возможным. Состоятельность физических моделей, предложенных автором, подтверждается согласием проведенных им расчетов с экспериментом. Экспериментальные результаты и предложенные физические модели обсуждались на ряде отечественных и зарубежных конференций, в том числе на устных докладах автора.
7. Личный вклад автора
Основные результаты, представленные к защите, получены непосредственно автором или при его определяющем участии.
Первоначальная постановка задачи по исследованию и разработке прецизионных детекторов на основе сверхпроводящих туннельных переходов принадлежит профессору B.C. Шпинелю. В период с 1998 по 2002 г. была открыта госбюджетная тема по исследованиям криогенных детекторов, руководителями темы являлись профессор B.C. Шпинель и с 2000 г. автор настоящей диссертации. В период с 1999 по 2002 автор являлся исполнителем двух грантов РФФИ по тематике «Создание криогенных туннельных детекторов ядерных излучений ...». Под руководством автора выполнены две дипломные работы на Физическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова.
Вклад автора в основные этапы работы: 1. Экспериментальная установка: Разработка чертежей и изготовление гелиевого криостата с вакуумной камерой и сверхпроводящим соленоидом. Проектирование и
изготовление измерительной вставки в транспортный гелиевый дьюар. Изготовление системы откачки паров гелия.
Создание системы цифровой записи вольтамперных характеристик и временных разверток сигналов СТП-детекторов, разработка необходимого программного обеспечение. Вклад автора в перечисленные работы является основным.
2. Экспериментальные исследования СТП-детекторов до 2002 г., в том числе детекторов с
простой структурой (Nb/A1,A10X/Al/Nb) и детекторов с пассивным электродом Al/Nb,
проводились совместно с сотрудниками ОЯСМ НИИЯФ МГУ М.Г. Козиным и И.Л.
Ромашкиной.
Анализ временной формы сигналов, разработка теоретических моделей и сравнение с экспериментом были выполнены при основном вкладе автора.
3. Экспериментальные исследования СТП-детекторов со структурой
Ti/Nb/Al,A10x/Al/Nb/NbN, имеющих пассивный электрод Ti/Nb, проводились автором
самостоятельно. Автору принадлежит основной вклад в экспериментальные исследования
эффектов собственной рекомбинации неравновесных квазичастиц, в изучение
нелинейности отклика детектора в зависимости от энергии кванта и в анализе данных на
основе диффузионных моделей. Автором выполнены исследования по оптимизации
параметров СТП-детекторов с Ті-подслоем и проведен анализ остаточных сигналов
пассивного электрода.
4. Разработка двумерной диффузионной модели для одиночных и стриповых СТП-
детекторов проводилась в соавторстве с сне Факультета вычислительной математики и
кибернетики МГУ В.П. Горьковым. Автор имеет основной вклад в постановку задачи, в
определение исходных параметров счета, в анализе расчетных данных, сравнении расчета
с экспериментом и подготовке материалов к печати.
5. Анализ собственных шумов СТП-детекторов был выполнен совместно с профессором
МИФИ В.В. Самедовым. Автор имеет основной вклад в постановку задачи, анализ
полученных выражений, расчет зависимости собственных шумов от напряжения на
детекторе и в подготовке материалов к печати.
8. Апробация результатов работы и публикации.
Основные результаты работы в период 1993-2010 г. докладывались на 9 Российских конференциях по ядерной физике и 8 международных конференциях по низкотемпературным детекторам (LTD-7 - 13), а также на нескольких международных конференциях по физике твердого тела. Работы были представлены автором в виде устных и стендовых докладов.
На тему диссертации опубликовано 54 работ, из них 22 статьи (13 научных статей опубликовано в журналах, определенных ВАК или входящих в международные системы цитирования).
9. Структура и объем диссертации.
