基于超高分辨TES探测器的模拟与关键器件制备研究

基于超高分辨TES探测器的模拟与关键器件制备研究

超导转变边界传感器(transition edge sensor,TES)是超高分辨探测器最为关键的核心部件之一,在国防科技、核能开发、核安保、反恐、核取证、宇宙学等领域有着广泛的应用前景,它的成功研制对于构建高灵敏、高分辨的先进粒子探测系统具有重大作用。本论文聚焦TES传感器的结构设计、能量沉积规律、制备工艺、性能评估等相关问题,通过理论模拟与实验评估两种手段,掌握TES传感器研制关键技术。①TES传感器结构问题。以继承创新与优化设计为总体研究思路,综合分析国内外已有的Mo/Cu、Au/In、Ti/In、Ti/Au超导膜研究结论与实验室产品,探索并控制研制过程中可能存在的工艺风险,剖析其影响器件超导特性的关键因素,获得TES双层或多层超导膜、支撑、电信号引出等结构参数;②能量沉积与热传导规律。

首先,开展能量沉积物理模型的分析与评估,优化并确定建模参数,计算获得钚材料20keV-200keV范围内多条入Y射线能量与沉积能量的依存关系;其次,针对同一吸收体材质,通过改变其尺寸大小或衬底结构,分别以60 keV、600 keVγ射线作为输入条件,分析了入射能量、吸收体尺寸、衬底结构对能量沉积的影响;在此基础上,采用有限元分析与噪声分析方法,研究了热能在TES器件中的传导规律,初步评估了制约超高分辨率γ射线探测器灵敏度的因素;③超导膜制备工艺。利用磁控溅射装置研究了制备温度、工作气压对Ti、Mo、Cu等单层薄膜生长的影响,获得了掩膜板制备Cu/Mo与Ti/Au双层薄膜的初步工艺条件;利用分子束外延装置,建立了温度与Ti/In双层膜生长状态之间的关系,基本固化了制备Ti/In、Au/In及Ti/Au双层薄膜的技术条件;④性能评估,包括物理性能与超导特性。首先,利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、综合物性测量系统等设备,完成了对超导薄膜表面形貌、物理性质等的表征,评判了超导薄膜制备工艺条件对其质量、Ti/In的超导转变温度的影响;其次,优化制备较高质量超导薄膜最佳工艺参数,并利用该参数研制了超导转变温度为300 mK的Ti/Au双层超导薄膜,进一步验证了所选工艺参数的合理性;同时,利用分子束外延的方法成功研制了一系列Ti/In双层超导薄膜,实验建立了 Ti-In双层薄膜超导温度与Ti-In厚度比之间的调控规律。研究结果表明,我们掌握了调控Ti/In薄膜超导转变温度的规律,并成功获得了超导转变温度在645 mK的Ti/In超导薄膜,获得了超导转变温

度为365 mK的Au/In超导薄膜;对于同一吸收体,入射光子能量越高,本征探测效率越小;悬空衬底结构比实心衬底结构在能谱探测上更占优势。

该研究成果为成功研制性能优良的TES器件提供了可借鉴的超导膜制备工艺技术参数,有助于缩短超高分辨探测系统商品化进程。