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

• Автор: Учайкин, Сергей Викторович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 302 с. : ил.

Аннотация
Диссертация посвящена вопросам разработки и усовершенствования криогенных детекторов на основе сверхпроводящих термометров. Рассмотрены вопросы технологии напыления высококачественных плёнок из вольфрама и алюминия. Предложен метод тепловой обратной связи для повышения линейности, динамического диапазона и стабилизации температуры криогенных детекторов. Показана возможность улучшения их чувствительности и быстродействия с помощью фононного коллектора. Разработаны усилители для криогенных детекторов на основе сверхпроводящих квантовых интерферометров. На основе проведённых исследований созданы установки эксперимента СНЕввТ для поиска ’’тёмной материи” и времяпролётный масс-спектрометр.
Оглавление
Введение
1 Криогенные детекторы
1.1 Принцип работы
1.2 Конструкция калориметра
1.2.1 Абсорбер
1.2.2 Термометр
1.2.3 Тепловая связь
1.3 Процессы, протекающие в калориметре
1.3.1 Взаимодействие частиц с абсорбером
1.3.2 Прохождение фононов через границу абсорбер-термометр
1.3.3 Абсорбция фононов в термометре
1.3.4 Абсорбция частиц термометром
1.4 Модель калориметра
1.4.1 Физическая модель калориметра
1.4.2 Модельные уравнения
1.4.3 Выходной сигнал калориметра
1.5 Изготовление калориметров
1.5.1 Очистка кристалла
1.5.2 Напыление вольфрамовой плёнки
1.5.3 Напыление плёнки иридий/золото
1.5.4 Фотолитография

1.5.5 Создание контактных площадок
1.5.6 Держатель детектора
1.5.7 Тепловая связь и соединительные провода
1.6 Сквид - предусилитель
1.7 Испытание детекторов
1.8 Детектор СНЕБвТ I
1.9 Выводы по главе
2 Стабилизация рабочей температуры термометра
2.1 Факторы, ограничивающие характеристики криогенных детекторов
2.2 Электротепловая обратная связь
2.3 Тепловая обратная связь
2.3.1 Стабилизация рабочей температуры термометра с помощью нагревателя
2.3.2 Схема криогенного детектора с тепловой обратной связью
2.3.3 Испытания криогенного детектора с тепловой обратной связью в рефрижераторе растворения №1
2.3.4 Испытания криогенного детектора с тепловой обратной связью в рефрижераторе растворения Лаборатории Гран Сассо
2.3.5 Сравнение теоретической модели с экспериментальными данными
2.3.6 Перерегулирование тепловой обратной связи
2.4 Конструкции нагревателя
2.5 Выводы по главе
3 Повышение эффективности сбора фононов
3.1 Принцип работы фононного коллектора
3.2 Процессы, протекающие в фононном коллекторе
3.2.1 Абсорбция нетепловых фононов в коллекторе
3.2.2 Релаксация квазичастиц

Глава 1. Криогенные детекторы

определяется перпендикулярной к границе составляющей групповой скорости фононов vgj_(k, т) и плотностью вероятности перехода соответствующих фононов через границу а(к, гп):
Я.А—*т = = 2 п(ы, т) Пи) га) . mJ. Vg±(kt m). (1.17)
fe,m °
Суммирование проводится но всем волновым векторам & и модам т. к — к(к— единичный вектор в направление к. Q— поток энергии через контакт абсорбер-термометр с площадью А. Выражение п(и>, Т) задаёт плотность энергии
тепловых фононов (для распределения Бозе-Эйнштейна) в объёме абсорбера Va.
згг— (1-18)
Єквт
Это выражение задаёт независимое от моды распределение фононных состояний с частотой и при тепловом равновесии. Вычисление потока тепла в обратном направлении <}т->а осуществляется аналогично, по уравнению (1.17).
После интегрирования по волновым векторам к с помощью интеграла fv >0 по той части к—пространства, в котором компонента групповой скорости фононов vg±(k,m), перпендикулярная границе, равна нулю, получается следующее выражение для Qa—t'-
(a-ug±-dQ)
0 ир
dSï ~~
——- (1.19)
{fj> (00Sgx)A->T
= (£? Г п(ш'Т]Пш% m)dbl Ç / Т' “К