辐射计探测器的未来——MKID (微波动态电感探测器)

  • 编辑供稿:舒诗博 東京大学/Advanced Technology Center, NAOJ

背景介绍

Microwave Kinetic Inductance Detectors (MKID) 有时也被称为KID或者MKIDs。第一篇关于KID的文章是由Caltech和JPL的B.A. Mazin et al.于2002年发表在SPIE上的Superconducting Kinetic Inductance Photon Detectors。 随后,2003年的Nature刊载了他们的题为A broadband superconducting detector suitable for use in large arrays 的文章,且已被引用559次,这算是科学界对KID的应用前景的肯定。

(天文仪器相关的期刊很杂,SPIE的天文仪器部分算是其中最符合的,其他的还有J Low Temp Phys, APL, IEEE Trans等等)

原理介绍

KID的原理其实很简单,当光子入射超导体后,会打破Cooper电子对,产生准粒子(quasiparticle),准粒子会改变超导体的阻抗,通过谐振电路可以将阻抗的改变转为谐振频率和幅度的改变,从而达到探测光子的目的。一个谐振电路便是一个独立的探测器。最重要的是,谐振频率可以在频域相乘,只要将每个谐振电路的频率设为不同值便可以用一个宽频放大器很方便的读出。

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图1. KID的原理 (Credit: B.A. Mazin)

详细的原理:(所有介绍KID的图里,图1 是最有名的。)

图a:当入射光子能量大于2倍Cooper电子对结合能时,在费米能级的Cooper电子对(C)会被打破,同时产生一定数量的准粒子激发,阴影部分是准粒子的态密度N_s (E)

图b:超导谐振电路可以等效为阻抗与电容并联后与电容串联 (具体电路见图2)。光子入射产生的准粒子数量增加会改变超导谐振电路的表面阻抗Z_s = R_s + i\omega L_s(主要是电感的改变,即阻抗的虚部),表面电感的增加会增加谐振电路的电感,表面电阻的产生会使传输产生损耗。

图c & d:谐振频率处,电感的增加使谐振频率向低频移动,电阻的增加使谐振变宽且幅度减小。这些变化都会体现在通过该电路的微波信号,即幅度和相得改变 (图d)。图c中,实线为无光子入射时的谐振曲线,虚线为光子入射时的。图d中,实线为无光子入射温度120 mK,虚线为260 mK的曲线,通过提高温度来模拟光子入射产生的变化。

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图2. 谐振电路的等效图和频域相乘 (Credit: M. Naruse)

只要改变谐振电路的长度就能改变谐振频率,并通过一条传输线将每个谐振电路连在一起,便可以使每个谐振信号在频域相乘。在图2左中,弯曲的线便是超导谐振电路,可以看出在最下端每个电路的长度是不同的,上部粗的长直线 (不是弯曲的) 是读出线。图2右为读出线上的信号,即每个谐振信号的频域相乘。

KID的优势

  1. 读出线一次可连接上千个探测器,且只用一个宽频放大器便可同时放大上千个信号。而传统的TES等,每个像素后都要单独连接一个放大器,放大器的体积和热量使得大规模像素很难实现。
  2. 制备方法简单,可以保证大规模制备的每个像素的一致性。例如图3为BICEP 2 使用的TES的Beam Maps,TES这种东西还是真的很难做完美。而且还要用SQUID来读出信号,SQUID的制备之难以至于地球上只有几个实验室能批量的做。
  3. 相关微波电路已经很完备,可以很好的集成化。
  4. 怎么能少了相对便宜这一条。

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图3. BICEP 2 中TES的Beam Maps (Credit: Ogburn et al.)

KID的两种主要结构

1. 共面波导KID (CPW KID)

只由一层金属构成,制备简单,典型结构如图4。KID在读出时,超导谐振电路中只有电流密度大的部分会吸收光子,对于四分之一波长的谐振线,电流密度最大处在末端,因此通常在谐振电路的末端加上天线来增加光子的捕获或者增加准粒子捕获结构。如图4所示,其中lens的材质为纯硅,利用硅的折射率使射电波段光子聚焦在KID末尾的天线上。

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图4. 天线耦合KID (Credit: Day et al.)

2. 集总KID (Lumped Element KID – LEKID)

通过分立的电感和电容来组成谐振电路,使谐振电路中电流密度相同,解决了KID在中远红外波段的应用。图5为LEKID的一个例子,feedline是读出线,电感电路两端组成电容,使电感电路中电流密度处处相等,左图为等效电路。

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图5. LEKID结构示意 (Credit: Doyle et al.)

KID的应用简介

毫米波和亚毫米波

CCAT项目上,低频段(850-2100um)已决定采用KID,高频段(350-450um)将KID作为候选方案。同时,这个波段怎么能少得了CMB,尽管BICEP 2已经得到了与理论相符的极化信号(Multipole 50~100),但是更精确的全天测量仍然必不可少。因此,更大的阵列必不可少,虽然BICEP 3仍然采用TES且数量会达到2560个(BICEP 2 512个),但是KID还有机会,日本预计将于2022年左右发射探测CMB极化信号的卫星LiteBIRD,已将KID列为候选方案。(详情见文末私货)

近红外到紫外波段

这个波段上KID当然无法从数量上与CCD相比,KID的优点在于很好的能量分辨率(R=E/\Delta E \approx 50)、微秒级的响应时间和十分高的波长灵敏度(空间中0.1-6微米)。因此,可以用来观测光子数量很少的源和随时间变化很快的源。

X射线

这个波段上,KID可以提供很好的能量分辨率,且很容易获得多像素阵列。由于较高的能量分辨率,KID还可以用在X射线微分析仪器上,用于获得物质的高分辨率X射线谱(扯远了)。

暗物质探测器

SuperCDMS项目中,KID被用来作为寻找WIMPs的探测器。通过探测WIMPs与原子核的弹性碰撞产生的电离效应和晶格震动信号来寻找暗物质。

最后,这篇文完全是最近看论文和各种资料的结果,看得越多越赞叹Caltech的JPL在仪器方面真是太厉害了,神往之。

以上

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八卦

随便说说,Dr. Jiansong Gao (清华99本02硕)是02年加入Caltech这个组的学生,在超导噪声方面做了很详尽的研究 (毕业后去了NIST)。Dr. Benjamin A. Mazin (发Nature文章中的唯一学生)从Caltech毕业后去了UCSB,目前美国KID方面研究主要是Caltech和UCSB。欧洲方面UDelft和UCardiff做了许多工作。剩下就是日本的NAOJ、KEK、RIKEN和岡山大学。国内紫台已开展相关研究 (与Delft合作),相关进展点此

私货:关于LiteBIRD

全称A Small Satellite for the Studies of B-mode Polarization and Inflation from Cosmic Background Radiation Detection,是由東京大学Kavli IPMU、KEKJAXA主导,与UCB、McGill及LBNL合作,众多日本大学和机构参与的国际项目,已被选为从今年开始日本23个大型研究项目之一。目前的计划是先完成GroundBIRD作为pathfinder测试MKID的性能,最终的LiteBIRD是要在UCB的TES和NAOJ的MKID选择一个。路线图见图6。

KID - 6图6. LiteBIRD Roadmap (Credit: M. Hazumi)

科学目的就是全天绘制B-mode极化,在Multipole<50处进行更精确测量,进一步限制r (tensor to scaler ratio),见图7。

 KID - 7 图7. LiteBIRD与Planck的灵敏度比较

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