Разработка криогенных детекторов частиц и молекул на основе сверхпроводящего термометра и их использование в экспериментальной физике и приборостроении Учайкин, Сергей Викторович

Введение к работе

1

Общая характеристика работы

1. Актуальность проблемы.

В условиях глубокого охлаждения проявляются квантовые свойства вещества, при обычной температуре маскируемые значительными тепловыми возбуждениями. Использование этих свойств позволяет проводить измерения на качественно новом уровне, недостижимом при использовании "традиционной" техники: регистрировать отдельные частиц и молекулы с малой энергией, снижать общий шум установок и т.д. Также становится возможным применение некоторых физических явлений, присущих только области низких температур, например, сверхпроводимости.

Значительным шагом в повышении качества первичных преобразователей стало появление криогенных детекторов (КД). Вероятно, первый КД для ядерной физики был предложен Симоном в 1935 году. Детектор Симона работал при температуре 50 К. Первый КД, работающий при гелиевых температурах, был описан Дальмазоном. Его КД охлаждался до 1,8 К и достиг чувствительности Ю^-9 Вт. Позднее независимо друг от друга несколько групп в США, Европе и СССР начали разработку КД. Современные КД по своим характеристикам на порядки превышают лучшие полупроводниковые датчики.

КД частиц отличаются высокой чувствительностью и всё чаще используются для регистрации частиц с низкой энергией (начиная от единиц эВ) со сверхвысоким разрешением. Они обладают высокой чувствительностью к низкоэнергетичному взаимодействию с частицами и объектами, движущимися с малой скоростью и обладающими малой эффективностью ионизации. Непревзойдённые характеристики делают привлекательным использование КД как в научных исследованиях, так и в технических приложениях. В настоящее время КД всё шире используются в экспериментальной и из-

мерительной технике, например, в рентгеновской спектроскопии, экспериментах по поиску тёмной материи и двойного (3—распада, измерению массы нейтрино и в масс-спектрометрии больших молекул.

Появилась возможность создания целого класса приборов с улучшенными, не достижимыми ранее параметрами. Однако построение таких приборов возможно, только если решить актуальные задачи подбора материалов, оптимизации технологических процессов изготовления и выработки методик проверки качества детекторов.

Использование КД может существенно повысить чувствительность физических установок. Примером подобного использования КД является установки для поиска тёмной материи. Поиск тёмной материи активно проводится в нескольких экспериментах с целью объяснить отклонения наблюдаемых в астрофизике явлений от закона всемирного тяготения. Такие отклонения могли бы проявляться в случае, например, если большая часть массы Вселенной была бы заключена в ненаблюдаемой обычными способами материи в форме нейтральных массивных частиц. Теоретически эти частицы и обычное вещество должны взаимодействовать с выделением слабой энергии в диапазоне десятков кэВ. Сигнал от этого очень редкого взаимодействия трудно зарегистрировать обычными методами и детекторами. Особые препятствия создаёт радиоактивный фон от обычной материи и космических лучей, интенсивность которого на шесть и более порядков выше ожидаемого полезного сигнала.

Область использование КД не ограничена фундаментальной наукой. Большие преимущества обещают приборы на основе КД, предназначенные для практического применения, например, в медицинской диагностике. В медицине известна связь между изменениями белков, а также их взаимодействий между собой, и болезненными состояниями. При большинстве болезней происходят изменения на белковом уровне. В настоящее время идентификация белков выполняется, в основном, с использованием метода, носящего назва-

Общая характеристика работы 3

ние 2-D PAGE (двумерный гель-электрофорез на полиакрил амиде). Этот метод обеспечивает невысокую точность определения массы. Для повышения точности измерений применяются масс-спектрометрические методы. В масс-спектрометрах используются полупроводниковые детекторы, неэффективные для регистрации молекул с большой массой. Эффективность КД не зависит от массы молекул.

Таким образом, создание КД с высокой чувствительностью, разработка новых приборов на основе КД и методов обработки выходных сигналов КД являются актуальными задачами.

2. Цель работы. Целью работы являлась разработка нового типа КД частиц и
молекул на основе сверхпроводящего термометра с улучшенными чувстви
тельностью и быстродействием, устройств для преобразования и усиления
сигналов КД и разработка принципов построения нового класса приборов
для научных и прикладных измерений, использующие новые КД. Примером
таких приборов служат описанные в диссертации устройства на основе КД
частиц и молекул: 1) установка CRESSТ для поиска частиц тёмной мате
рии и 2) времяпролётный масс-спектрометра для идентификации белковых
молекул большой массы.

3. Постановка задач.

(а) Перед разработчиками устройств на основе КД стоят серьёзные технологические проблемы. Такие важные характеристики сверхпроводящих материалов, как критический ток 1с, температура сверхпроводящего перехода Тс и удельное сопротивление в нормальном состоянии Rn, во многом определяются технологией изготовления. Предъявляются высокие требования к чистоте материала и поверхностей. Даже загрязнение величиной 1 ррт может изменить Тс металлов или даже полностью лишить их сверхпроводящих свойств. Совершенствование технологии требует детального понимания физических процессов,

Общая характеристика работы 4

происходящих в процессе изготовления и работе криогенных приборов. Задачей исследований, изложенных в первой главе диссертации, в теоретической части обзорной, были детальный анализ процессов, происходящих в КД, и разработка технологии изготовления КД.

1. Характеристики КД существенно ограничиваются нелинейностью сверхпроводящего перехода и узостью рабочего диапазона температур (единицы или доли мК). Задачей исследований, освещенных в главе 2, была разработка метода тепловой обратной связи с целью повышения динамического диапазона, линейности и быстродействия КД.

2. Одним из основных ограничений на характеристики КД является его конечная теплоёмкость. КД с меньшей теплоёмкостью обладают большим быстродействием и чувствительностью. Задачей исследований, которым посвящена третья глава, была разработка КД с фононным коллектором, позволяющим уменьшить теплоёмкость одной из составляющих КД - сверхпроводящего термометра.

3. Из-за своих непревзойдённых характеристик КД всё активнее применяются в фундаментальной физике. Задачей работ, описанных в четвёртой главе, было создание, испытание и усовершенствование установки эксперимента CRESST, использующей КД для поиска сигнала от тёмной материи. Эксперимент проводится с целью объяснения таких астрофизических явлений, как линзирование удалённых галактик и несоответствие законам Кеплера распределения скорости орбитального вращения звёзд в галактиках.

4. Исследования, которым посвящена пятая глава, заключались в разработке метода дискриминации ядерных и оболочечных взаимодействий в абсорбере КД с целью снижения паразитного сигнала от радиоактивного фона, наблюдаемого в экспериментах по поиску тёмной материи.

5. Для использования в масс-спектрометрии необходим КД с высоким

Общая характеристика работы 5

быстродействием и большой рабочей площадью. Этим и другим задачам, связанным с применением КД в масс-спектрометрии, посвящены исследования, результаты которых изложены в главах 6 и 7.

4. Научная новизна.

1. Разработан новый метод тепловой обратной связи, позволяющий стабилизировать температуру детектора, увеличить линейность и повысить разрешение.

2. Впервые проведена апробация метода дискриминации фоновых событий с помощью сегментированного КД.

3. Разработан новый метод дискриминации ядерных и оболочечных событий с помощью одновременного измерения фононного и фотонного откликов абсорбера.

4. Разработан новый позиционный детектор на основе двух сверхпроводящих термометров и фононного коллектора.

5. Впервые разработан масс-спектрометр для измерения массы больших молекул с КД со сверхпроводящим термометром в качестве стоп-детектора.

5. Практическая ценность.

6. Впервые создан КД с массой абсорбера 262 г и разрешением 133 эВ для фотонов энергией 1,5 кэВ. Детектор обладает рекордным отношением разрешение/масса 0,5 эВ/г.

7. Впервые создан усилитель для КД на основе двойного сквида. Усилитель имеет полосу пропускания 2 МГц и slew rate 2 10⁵ Фо/с.

8. Впервые исследованы сцинтилляционные свойства кристаллов герма-ната висмута Въ^Ое^О^ (ВGO), флуорида бария BaF2, вольфрамата свинца PbWOi и вольфрамата кальция CaWO^ при температуре 12

мК.

Общая характеристика работы 6

4. Впервые создан криогенный фотодетектор на основе сверхпроводящего термометра. Криогенный фотодетектор способен регистрировать сцинтилляцию кристалла вольфрамата кальция при облучении 'у—частицами. Для 7^—частиц с энергией 60 кэВ энергия сцинтилляции составила 480 эВ, при этом криогенный фотодетектор показал разрешение 100 эВ.

5. Впервые создан КД тёмной материи, позволяющий отделять ядерные и оболочечные события с точность 99,7 % для событий с энергией выше 15 кэВ.

6. Впервые создан криогенный позиционный детектор на основе двух сверхпроводящих термометров и фононного коллектора. При длине 2 мм линейное разрешение детектора составило 50 мкм, что соответствует разрешению 40-пиксельного детектора.

7. Впервые создан криогенный молекулярный детектор на основе сверхпроводящего термометра. По сравнению с использовавшимися ранее криогенными молекулярными детекторами на основе сверхпроводящего туннельного перехода разработанный детектор имеет в 900 раз большую площадь. Он позволяет регистрировать ионные пучки с интенсивностью на 3 порядка меньше, чем детекторы на основе сверхпроводящего туннельного перехода.

(h) Впервые создан времяпролётный масс-спектрометр с криогенным молекулярным детектором на основе сверхпроводящего термометра в качестве стоп-детектора. Замена полупроводникового стоп-детектора на криогенный молекулярный детектор позволила на три порядка увеличить чувствительность МС.

(і) Впервые использован охлаждаемый ионный отражатель в масс-спектрометре. Применение охлаждаемого ионного отражателя позволило снизить теплоприток из анализатора масс-спектрометра на криоген-

Общая характеристика работы 7

ный молекулярный детектор и сделало возможным охлаждение криогенного молекулярного детектора до рабочей температуры (около 50

мК).

(j) Впервые создан усилитель для сквида на основе охлаждаемого КМОП-усилителя, работающего при гелиевой температуре. Усилитель позволяет увеличить диапазон линейности сквида по входу в 10 раз.

6. Апробация работы. Результаты работы докладывались:

1. на 18-ом международном семинаре по прикладной сверхпроводниковой электронике и биомагнетизму (Украина, Жукин, 1995),

2. на 15-ой и 16-ой международных конференциях по криогенике (Италия, Генуя, 1994, и Япония, Китакюшу, 1996),

3. на 3-ем симпозиуме по низкотемпературной электронике и высокотемпературной сверхпроводимости (США, Рино, 1995),

4. на 4-ой и 7-ой международных конференциях по технологии низких температур (Чехия, Прага, 1996 и 2002 гг),

5. на 21-ой и 22-ой международных конференциях по физике низких температур (LT21, Чехия, Прага, 1996, и LT22, Эспоо и Хельсинки, Финляндия, 4-11 августа 1999),

6. на международных конференциях по сверхпроводящей электронике (ISEC97, Германия, Берлин, 1997, ISEC99, США, Беркли, 1999 и ISEC01, Япония, Осака, 2001),

7. на 3-ем совещании по низкотемпературной электронике ( W0LTE3, Италия, Сан-Миниато, 1997),

(h) на 3-ей европейской конференции по прикладной сверхпроводимости (EUCAS'97, Нидерланды, Эйндховен, 1997),

(і) на 2-ом международном совещании по поиску тёмной материи (Великобритания, Бакстон, 1998),

Общая характеристика работы 8

(j) на симпозиуме по микро- и нанокриогенике (MNC, Финляндия, Явас-кула, 1999),

(к) на 8-ом международном совещании по низкотемпературным детекторам (Нидерланды, Дальфсен, 1999),

(1) на 6-ом совешании по сверхпроводящей электронике (Нидерланды, Твен-те, 2000),

(т) на 4-ой и 5-ой международных симпозиумах по источникам и детектированию тёмной материи и тёмной энергии во Вселенной (Марина Дел Рев, Калифорния, США, 2000 и 2002),

(п) на 32-ом совещании по физике низких температур (ФНТ-32, Россия, Казань, 2000),

(о) на конференции по космологии и физике частиц (САРР 2000, Швейцария, Вербиер, 2000),

(р) на 3-ей международной конференции по идентификации тёмной материи (IDM2000, Йорк Минстер, Великобритания, 2000),

(q) на совещании по физике сверхпроводящих детекторов (SDP-2001, Япония, Токио, 2001),

(г) на 8-ой, 10-ой и 11-ой конференциях по физике низкотемпературных детекторов (LTD-8, Нидерланды, Далфсен, 1999, LTD-10, Италия, Генуя, 2003, и LTD-11, Япония, Токио, 2005),

(s) на 13-ой международной конференции по биомагнетизму (BIOMAG 2002, Германия, Йена, 2002),

(t) на конференции Немецкого Общества холодильной техники и техники кондиционирования (Deutsche Kalte- und Klimatechnischer Verein e.V.), Германия, Магдебург, 2002),

(u) на европейском семинаре по кубитам ж—Shift (Германия, Йена, 2003),

Общая характеристика работы 9

(v) на 7-ой международной конференции по неорганическим сцинтиллято-рам и их промышленному применению (SCINT2003, Испания, Валенсия, 2003),

(w) на конференциях Немецкого физического общества (DPG-2000, Германия, Риндберг, 2000, DPG-2002, Германия, Регенсбург, 2002, DPG-2005, Германия, Берлин, 2005),

(х) на 9-ом международном симпозиуме "От Андреевского отражения к ранней Вселенной" (Швеция, Бьорклиден, 2005),

(у) на международном симпозиуме по криоэлектронным компонентам KRYO-2006(Германия, Иена/Габельбах, 2006),

(z) на научных семинарах в Лаборатории нейтронной физики и Лаборатории физики частиц Объединённого института ядерных исследований (Дубна, Россия), Томском Политехническом университете (Томск, Россия), Институте физики Макса Планка (Мюнхен, Германия), Оксфордском университете (Оксфорд, Великобритания), отделе сверхпроводимости фирмы Oxford Instruments (Кембридж, Великобритания), Институте физики высоких технологий (Йена, Германия), Дрезденском университете (Дрезден, Германия), Дрезденском институте полимеров (Дрезден, Германия), Институте полупроводников (Киев, Украина), Аугсбургском университете (Аугсбург, Германия), Мюнхенском Техническом университете (Гархинг, Германия), Университете Райерсона (Торонто, Канада), фирме D-Wave Systems Inc. (Ванкувер, Канада), фирме CSP (Изманинг, Германия), фирме ARKeX (Кэмбридж, Великобритания), фирме MDS SCIEX (Конкорд, Канада), Лаборатории Камерлиг Оннеса (Лейден, Голландия), фирме Leiden Cryogenics (Лейден, Голландия), Национальном институте ядерной физики и физики высоких энергий (Амстердам, Голландия).

7. Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 58 публи-

Общая характеристика работы

кациях.

8. Вклад автора. Автору принадлежит определяющая роль в постановке за
дач, планировании и постановке экспериментов, анализе и интерпретации
результатов, представленных в работе.

9. Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, семи глав,
заключения, двух приложений и списка литературы. Работа изложена на
302 страницах и содержит 125 иллюстраций и 25 таблиц.

10. На защиту выдвигаются:

8. метод тепловой обратной связи, позволяющий стабилизировать температуру КД, увеличить линейность и повысить энергетическое разрешение;

9. метод дискриминации ядерных и оболочечных событий посредством одновременного измерения фононного и светового отклика абсорбера и последующего исключения совпадающих сигналов;

10. новый КД на основе сверхпроводящего термометра с фононным коллектором. Применение фононного коллектора позволяет в десятки раз уменьшить теплоёмкость термометра и,соответственно, повысить чувствительность детектора. За счёт более эффективного поглощения поперечных фононов фононный коллектор позволяет уменьшить потери энергии в абсорбере;

11. новый криогенный позиционный детектор на основе двух сверхпроводящих термометров и фононного коллектора;

12. новый криогенный фотодетектор на основе сверхпроводящего термометра;

13. метод дискриминации ядерных и оболочечных взаимодействий, заключающийся в одновременном измерении фононного и светового сигнала;

Похожие диссертации на Разработка криогенных детекторов частиц и молекул на основе сверхпроводящего термометра и их использование в экспериментальной физике и приборостроении

Разработка методов создания и исследования высоконадежных компактных сверхпроводящих магнитных систем для научного приборостроения и экспериментальной физикиСурин Михаил Израевилич

Разработка методов создания и исследования высоконадежных компактных сверхпроводящих магнитных систем для научного приборостроения и экспериментальной физикиСурин Михаил Израелевич

Разработка, создание и использование газоразрядных детекторов частиц для экспериментов в физике высоких энергийКрившич, Анатолий Григорьевич

Разработка и создание детекторов заряженных и нейтральных частиц для изучения редких распадов каонов Ершов Николай Викторович

Разработка и применение в исследованиях на ускорителях низкотемпературных детекторов частиц и криогенных установок Жуков Василий Александрович

Разработка бессеточных ионно-оптических элементов времяпролётных масс-анализаторовПомозов, Тимофей Вячеславович

Разработка методики анализа по светорассеянию смешанных природных дисперсных систем на содержание органической и минеральной компонентВласова, Ольга Леонардовна

Разработка методов и устройств масс-анализа ионов в монополярных линейных высокочастотных электрических поляхМамонтов Евгений Васильевич

Разработка микрофлюидного устройства с оптическим иммуносенсорным элементом на основе натриевоборосиликатного пористого стеклаЕсикова, Надежда Александровна

Разработка и исследование микрофлюидных устройств с металлическими микро и наноразмерными функциональными элементами для изучения клетокБукатин, Антон Сергеевич