극저온 입자 검출기

Cryogenic particle detector

극저온 입자 감지기는 매우 낮은 온도에서 작동하며, 일반적으로 절대 0보다 몇 도 높은 온도에서만 작동한다. 이러한 센서는 에너제틱한 기초 입자(광자 등)와 상호작용하며, 입자의 종류와 상호작용의 성격과 관련될 수 있는 신호를 전달한다. 많은 유형의 입자 검출기가 극저온에서 개선된 성능으로 작동할 수 있지만, 이 용어는 일반적으로 저온에서만 발생하는 특수 효과 또는 특성을 이용하는 유형을 가리킨다.

소개

어떤 센서를 저온에서 작동시키는 가장 일반적인 이유는 절대온도의 제곱근에 비례하는 열소음 감소 때문이다. 그러나 매우 낮은 온도에서 특정 물질 특성은 센서를 통과하는 입자에 의해 축적된 에너지에 매우 민감하게 되며, 이러한 변화로 인한 이득은 열 소음 감소보다 더 클 수 있다. 이와 같이 일반적으로 사용되는 두 가지 특성은 열용량과 전기저항성, 특히 초전도성이다. 다른 설계는 초전도 터널 접합부, 퀘이피사 트랩, 초유체 로턴, 자기 지압계 및 기타 원리에 기초한다.

원래 천문학은 광학 및 적외선 방사용 극저온 검출기의 개발을 추진했다.[1] 후에, 입자 물리학과 우주론은 중성미자, 축, 그리고 약하게 상호작용하는 거대한 입자(WIMPs)와 같은 알려져 있고 예측된 입자를 감지하기 위한 극저온 검출기 개발을 자극했다.[2][3]

극저온 입자 감지기의 유형

칼로리 입자 검출

열량계는 물질의 표본에 축적된 열의 양을 측정하는 장치다. 열량계는 에너지를 측정하는 반면, 열량계는 전력을 측정한다는 점에서 열량계와 다르다.

결정체 유전체 물질(실리콘 등)의 데비온도 이하에서는 절대온도의 입방체로서 열용량이 반비례적으로 감소한다. 이는 매우 작아지기 때문에 주어진 열 입력에 대한 표본의 온도 증가가 상대적으로 클 수 있다. 이를 통해 지나가는 입자에 의해 축적되는 것과 같이 적은 양의 열 투입을 위해 매우 큰 온도 편차를 가지는 열량계를 만드는 것이 실용적이다. 온도 상승은 고전적인 열량계처럼 표준형 서미스터로 측정할 수 있다. 일반적으로 이 방법으로 민감한 입자 검출기를 만들려면 작은 표본 크기와 매우 민감한 서미스터가 필요하다.

원칙적으로 몇 가지 유형의 저항 온도계를 사용할 수 있다. 에너지 침적 감도의 한계는 저항 변동의 크기에 의해 결정되며, 저항 변동의 크기는 열 변동에 의해 결정된다. 모든 저항기는 온도에 비례하는 전압 변동을 나타내기 때문에 존슨 노이즈라고 알려진 효과로, 온도 감소가 필요한 감도를 달성하는 유일한 방법이다.

초전도 전환 에지 센서

TES(Transition-Edge Sensor)로 알려진 매우 민감한 열량계 센서는 초전도성을 이용한다. 대부분의 순수 초전도체는 정상 저항에서 약간의 저온에서 초전도성으로 매우 급격한 전환을 한다. 초전도 위상 전환으로 작동함으로써, 입자와의 상호작용에 의한 매우 작은 온도 변화는 저항의 상당한 변화를 초래한다.

초전도 터널 접합부

초전도 터널 접합부(STJ)는 매우 얇은(~나노미터) 단열층으로 분리된 초전도 물질 2개로 구성된다. 초전도체-절연체-초전도체 터널 접합부(SIS)로도 알려져 있으며, 조셉슨 접합부의 일종이다. 쿠퍼 쌍은 절연 장벽을 가로질러 터널을 뚫을 수 있는데, 이 현상은 조셉슨 효과로 알려져 있다. 퀘이파티클은 또한 초전도 에너지 갭의 두 배 미만의 전압에 대해 퀘이피사 전류가 억제되지만 장벽을 가로질러 터널을 통과할 수 있다. STJ의 한쪽에 흡수된 광자는 쿠퍼 쌍을 깨뜨리고 퀘이파티클을 만든다. 접속부에 인가된 전압이 존재하는 경우, 퀘이파티클은 접속부를 가로질러 터널을 통과하며, 그 결과로 발생하는 터널링 전류는 광자 에너지에 비례한다. STJ는 광자 보조 터널링에서 발생하는 비선형 전류-전압 특성 변화를 이용하여 헤테로디네 검출기로도 사용할 수 있다. STJ는 100GHz – 1THz 주파수 범위에 사용할 수 있는 가장 민감한 헤테로디네이트 검출기로, 이러한 주파수에서 천문 관측을 위해 사용된다.

운동 인덕턴스 검출기

운동 인덕턴스 검출기(KID)는 얇은 초전도 물질 스트립에서 광자 흡수에 의한 운동 인덕턴스 변화를 측정하는 것에 기초한다. 인덕턴스의 변화는 일반적으로 마이크로파 공명기의 공명 주파수의 변화로 측정되며, 따라서 이러한 검출기를 마이크로파 운동 인덕턴스 검출기(MKIDs)라고도 한다.

초전도 과립

초전도 전환만으로도 통과 입자에 의한 난방을 직접 측정할 수 있다. I형 초전도성 곡물은 자기장에서 완벽한 직경을 보이며 그 내부에서 완전히 배제된다. 전환 온도보다 약간 낮게 유지하면 입자 방사선에 의해 난방에 초전도성이 사라지고, 갑자기 전장이 내부를 관통하게 된다. 이 전기장 변화는 주변 코일에 의해 감지될 수 있다. 곡식이 다시 식으면 그 변화는 되돌릴 수 있다. 실제로 곡물은 매우 작고 조심스럽게 만들어져야 하며, 조심스럽게 코일에 연결되어야 한다.

자기 칼로미터

파라자성 희토류 이온은 저열용량 물질에 흡수된 열에 의해 유도된 파라자성 원자의 스핀플립을 감지하여 입자 센서로 사용되고 있다. 이온들은 자기 온도계로 사용된다.

기타 방법

포논 입자 검출

칼로미터는 표본이 열 평형 상태 또는 거의 평형 상태라고 가정한다. 매우 낮은 온도의 결정체 물질에서는 이것이 반드시 그런 것은 아니다. 더 많은 정보는 상호작용하는 입자에 의해 발생하는 결정 격자 또는 음소의 기본적인 배설물을 측정함으로써 찾을 수 있다. 이것은 초전도 전환 에지 센서를 포함한 몇 가지 방법으로 수행할 수 있다.

초전도 나노와이어 단광 검출기

초전도 나노와이어 단광 검출기(SNSPD)는 초전도 전환 온도보다 훨씬 낮은 온도에서 냉각된 초전도 와이어에 기초하고 초전도 임계 전류에 가깝지만 적은 dc 전류로 편향된 것이다. SNSPD는 일반적으로 좁은 나노와이어(일반적으로 너비가 100nm인)로 패턴화된 5nm 두께의 니오비움 질화물 필름으로 만들어진다. 광자의 흡수는 쿠퍼 쌍을 깨뜨리고 편향 전류 이하로 임계 전류를 감소시킨다. 나노와이어 폭에 걸친 작은 비초전도 구간이 형성된다.[4][5] 이 저항성 비초전도 구간은 약 1 나노초의 지속시간 동안 감지 가능한 전압 펄스로 이어진다. 이러한 유형의 광자 검출기의 주요 장점은 고속(2GHz의 최대 카운트 레이트를 통해 가장 빠른 속도)과 낮은 다크 카운트 속도다. 가장 큰 단점은 본질적인 에너지 해결의 부족이다.

로튼 탐지기

초유체에서 그는 기본적인 집단적 흥분은 음소와 로톤이다. 이 초유체에서 전자나 핵에 부딪히는 입자는 로톤을 생성할 수 있는데, 로톤은 대압계적으로 또는 헬륨 원자가 자유 표면에 도달했을 때 증발함으로써 감지될 수 있다. 4그는 본질적으로 매우 순수해서 로톤들이 공력적으로 이동하고 안정적이어서 많은 양의 액체를 사용할 수 있다.

초유체 퀘이파티클레스 헤

0.001 K 이하인 B상에서는 초유체 He가 초전도체와 비슷하게 작용한다. 원자 쌍은 쿠퍼 쌍과 유사한 퀘이파르티클로서 100나노 전극의 아주 작은 에너지 갭을 가지고 묶여 있다. 이를 통해 초전도 터널 검출기와 유사한 검출기를 만들 수 있다. 단 한 번의 상호작용으로 많은 (~109)쌍이 생성될 수 있다는 장점이 있지만, 정상적인 He 원자가 생성되는 초과량을 측정하기 어렵고, 이렇게 낮은 온도에서 많은 초유체를 준비하고 유지하는 것이 어렵다는 것이 어려움이다.

참조

  • Twerenbold, Damian (December 1996). "Cryogenic Particle Detectors". Rep. Prog. Phys. 59 (3): 349–426. Bibcode:1996RPPh...59..349T. doi:10.1088/0034-4885/59/3/002.
  • Enss, Christian, ed. (2005). Cryogenic Particle Detection. Springer, Topics in applied physics 99. ISBN 978-3-540-20113-7.
  1. ^ Glass, I. S. (1999). Handbook of Infrared Astronomy. New York: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-63311-6.
  2. ^ Primack, J. R.; D. Seckel; B. Sadoulet (December 1988). "Detection of Cosmic Dark Matter". Annual Review of Nuclear and Particle Science. 38: 751–807. Bibcode:1988ARNPS..38..751P. doi:10.1146/annurev.ns.38.120188.003535.
  3. ^ Pretzl, K. (1988). "Dark Matter Searches" (PDF). Space Science Reviews. 130 (1–4): 63–72. Bibcode:2007SSRv..130...63P. doi:10.1007/s11214-007-9151-0.
  4. ^ Semenov, A. D.; Gol’Tsman, Gregory N.; Korneev, Alexander A. (2001). "Quantum detection by current carrying superconducting film". Physica C. 351 (4): 349–356. Bibcode:2001PhyC..351..349S. doi:10.1016/S0921-4534(00)01637-3.
  5. ^ Gol'tsman, G. N.; Okunev, O.; Chulkova, G.; Lipatov, A.; Semenov, A.; Smirnov, K.; Voronov, B.; Dzardanov, A.; et al. (2001). "Picosecond superconducting single-photon optical detector". Applied Physics Letters. 79 (6): 705–707. Bibcode:2001ApPhL..79..705G. doi:10.1063/1.1388868.

참고 항목