面向CMB偏振实验的220...钛超导TES探测器技术研究_罗强辉.pdf

第 31 卷 第 4 期2023 年 2 月Vol.31 No.4Feb.2023光学 精密工程 Optics and Precision Engineering面向 CMB偏振实验的 220 GHz钛超导 TES探测器技术研究罗强辉1，2，缪巍1*，李费明1，2，钟家强1，王争1，丁江乔1，3，周康敏1，张文1，任远1，史生才1*（1.中国科学院紫金山天文台，江苏 南京 210023；2.中国科学技术大学，安徽 合肥 230026；3.南京信息工程大学，江苏 南京 210044）摘要：高灵敏度超导相变边缘探测器（Transition Edge Sensor，TES）在宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background，CMB）辐射 B 模偏振探测方面具有重要的应用前景。本文设计并制备了 220 GHz 频段 88 像元的天线耦合钛超导TES探测器，实验表征了刻蚀前钛超导 TES探测器的低温热导和噪声特性。实验结果显示，钛超导 TES探测器低温电声相互作用主导热导约为 485.4 pW/K，同时钛超导 TES 探测器噪声等效功率优于 510-17 W/Hz0.5。原理上，钛超导TES探测器热导在刻蚀后会进一步减小，理论计算出刻蚀后钛超导 TES探测器的热导约为 38 pW/K，同时，其热起伏等效噪声功率理论值约为 9.210-18 W/Hz0.5，因此，钛超导 TES探测器在刻蚀后的噪声等效功率性能会进一步提升。关键词：高灵敏度；超导相变边缘探测器；热导；噪声等效功率中图分类号：TL81 文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20233104.0442Development of a 220 GHz Ti superconducting TES detector array for CMB polarization experimentLUO Qianghui1，2，MIAO Wei1*，LI Feiming1，2，ZHONG Jiaqiang1，WANG Zheng1，DING Jiangqiao1，3，ZHOU Kangmin1，ZHANG Wen1，REN Yuan1，SHI Shengcai1*（1.Purple Mountain Observatory，Chinese Academy of Sciences，Nanjing 210023，China；2.University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China；3.Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China）*Corresponding author，E-mail：；Abstract：High-sensitivity superconducting transition edge sensor（TES）detectors have significant application prospects in the detection of the B-mode polarization of cosmic microwave background（CMB）.In this study，we developed a 220 GHz antenna-coupled titanium（Ti）superconducting TES detector array（88）using a leg supporting structure.Before the supporting legs were fabricated，we measured the thermal conductance and the noise equivalent power（NEP）of the Ti superconducting TES detector.The measurement results show that the thermal conductance of the Ti superconducting TES detector，pri文章编号 1004-924X（2023）04-0442-08收稿日期：2022-06-17；修订日期：2022-08-11.基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.11873099；No.11922308）第 4 期罗强辉，等：面向 CMB偏振实验的 220 GHz钛超导 TES探测器技术研究marily determined by the electron-phonon interaction in the superconducting Ti microbridge，is approximately 485.4 pW/K.Moreover，the NEP of the Ti superconducting TES detector is approximately 510-17 W/Hz0.5.In principle，the thermal conductance of the Ti superconducting TES detector can be further reduced after its supporting legs are fabricated，which is approximately 38 pW/K.Meanwhile，the thermal fluctuation noise of the detector after its supporting legs are fabricated is approximately 9.210-18 W/Hz0.5.Thus，the noise performance can be further improved.Key words：high sensitivity；superconducting TES detector；thermal conductance；Noise Equivalent Power（NEP）1 引 言原初引力波是宇宙早期剧烈量子涨落产生的充满整个宇宙空间的引力波。探测原初引力波将有利于理解早期宇宙动力学过程，也有助于推进人们对量子引力等基本物理问题的理解。目前，探测原初引力波最好方式是宇宙微波 背 景 辐 射（Cosmic Microwave Background，CMB）偏振实验，即探测 CMB B 模信号1。然而，CMB B 模信号极其微弱（小于 1 K 的千万分之一），探测 CMB B 模信号需要超高灵敏度非相干探测器。超导相变边缘探测器（Transition Edge Sensor，TES）2是一种基于超导薄膜电阻-温度转变特性的高灵敏度非相干探测器。超导 TES 探测器在结构上主要包含一层超导薄膜，工作在正常态与超导态之间的一个很窄的温度区间。在此温度区间，超导薄膜的电阻具有很高的温度灵敏度，在恒压偏置下吸收光子信号引起电流变化，并通过低噪声电流放大器如超导量子干涉器（Superconducting Quantum Interference Device，SQUID）放大读出3，从而实现背景极限探测。目前，超导 TES探测器已被广泛应用于全球已建及规划中的 CMB 偏振实验望远镜4-6。然而，针对 CMB 偏振实验的超导 TES 探测器现大都 集 中 在 毫 米 波 低 频 段（如 90 GHz，150 GHz等），为了在 CMB 偏振实验中有效扣除银河系本身的“前景”辐射干扰7，需要在多波段开展 CMB偏振实验。为此，本文主要开展了 220 GHz频段超导 TES探测器技术研究，设计并制备了的双槽天线耦合钛超导 TES探测器阵列，重点研究了悬臂梁（leg-supported）结构8刻蚀前钛超导 TES 探测器的低温热导和噪声特性，并预估了悬臂梁结构刻蚀后钛超导 TES探测器的热导特性。2 88 像 元 钛 超 导 TES 探 测 器设计2.1钛超导 TES探测器总体结构目前，超导 TES探测器光学耦合方式主要有三种，分别是波导喇叭耦合9、相控阵天线耦合10和透镜天线耦合11，本文采用了透镜天线耦合方式。图 1（a）和图 1（b）分别是天线耦合的 88像元钛超导 TES 探测器和单像元钛超导 TES 探测器。这里，钛超导 TES探测器主要包含 220 GHz双槽天线、带通滤波器和 SiN 悬臂梁结构探测单图 1（a）220 GHz 88 像元钛超导 TES 探测器阵列；（b）单像元钛超导 TES探测器结构图，主要包含双槽 天 线、带 通 滤 波 器 和 悬 臂 梁 结 构 探 测 单 元（400 m200 m）；（c）悬臂梁结构探测单元，主要包含 Au微带吸收体和超导钛 TESFig.1（a）220 GHz 88 Ti superconducting TES detector array；（b）Ti superconducting TES detector，consisting of a twin slot antenna，a bandpass filter，and a leg supporting unit with the size of 400 m200 m；（c）Leg supporting unit，including an Au microstrip absorber and a superconducting Ti TES443第 31 卷光学 精密工程元，其中悬臂梁结构探测单元主要由 Au 微带吸收体和超导钛 TES 构成，如图 1（c）所示。悬臂梁结构探测单元由位于 4 个角的 10 m 宽、400 m 长 SiN 悬臂梁组成，这种细长型 SiN 腿可以很好地热隔离探测单元与外界热沉。另外，左上角 SiN 腿集成了 RF in微带线，用于耦合 CMB 辐射信号至探测单元。右边 SiN 腿集成了 DC bias 线，为超导钛 TES 提供直流偏置。钛超导 TES探测器正常工作时，双槽天线耦合 CMB 辐射信号，经带通滤波器滤除带外信号后，最终被 Au微带吸收体吸收转化为热能量，加热 20 m 长、20 m 宽、50 nm 厚的超导钛 TES，进而实现 CMB辐射信号探测。2.2双槽天线本文采用了平面双槽天线耦合 CMB 辐射信号。双槽天线是一种线极化耦合天线，具备良好的波束特性和交叉极化特性，适用于 CMB 辐射信号探测。双槽天线一般设计规则如下：槽长度决定天线响应频率，槽宽度决定天线阻抗，槽间距决定天线波束对称性12。图 2（a）是根据上述规则设计的 220 GHz双槽天线，其中双槽天线槽长度为440 m，宽度为 18 m，槽间距为 270 m。双槽天线耦合 CMB 信号后，经微带线 1 和微带线 2耦合至带通滤波器，表 2给出了微带线 1和微带线 2 的具体参数。图 2（b）和图 2（c）是模拟计算双槽天线 S11散射参数和天线波束方向图，可以看出双槽天线在 220 GHz频段具有很好的响应特性。2.3带通滤波器为了抑制带外信号对钛超导 TES 探测器的影响，本文在双槽天线和悬臂梁结构探测单元之间连接了一个 220 GHz 带通滤波器。该带通滤波器是由三段谐振器构成，如图 3（a）所示。表 2给出了 220 GHz 带通滤波器具体尺寸。图 3（b）是利用 HFSS 电磁仿真软件模拟计算带通滤波器 S11和 S12散射参数。从模拟计算结果可以看出，该带通滤波器中心频率为 220 GHz，-3 dB所对应的响应带宽约为 60 GHz。图 4 是模拟计算 220 GHz 双槽天线（蓝色线），带通滤波器（黑色线），以及两者共同作用后（红色线）的辐射信号耦合系数（彩图见期刊电子版）。从图中可以看出，220 GHz 双槽天线带外抑制相对较差，其在 100 GHz和 350 GHz频段的耦合效率仍大于 0.