Предельная чувствительность болометра на холодных электронах в зависимости от температуры болометра и мощности сигнала

М. Тарасов¹ ,  В. Эдельман ², С. Махашабде ³, Л. Кузьмин ³

 

 ¹ Институт Радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН

² Институт физических проблем им. П.Л.Капицы РАН

³ Чалмерский технологический университет, Швеция

 

Статья получена 9 декабря 2013 г.

 

Аннотация. Разработаны, изготовлены и исследованы интегральные структуры с болометрами на холодных электронах, интегрированные в двойные щелевые антенны.  При температуре болометра от 0.06 К до 3 К измерен оптический отклик болометров в диапазоне температур излучателя 2-15 К.  Для температуры излучателя в районе 2.7 К, что соответствует температуре космического фонового излучения, отклик приемника составил 0.3*10⁹ В/Вт, температурная чувствительность 2*10^-4 К/Гц^1/2.  Эффективность согласования с источником излучения, равная отношению излученной и поглощенной мощности, составила 0.6.  Проведены оценки вольтваттной чувствительности в зависимости от мощности фона, сигнала, температуры образца.  Для получения эквивалентной шуму мощности на уровне МЭШ=2*10^-18 Вт/Гц^1/2, которая требуется для многих космических проектов, температура образца должна быть не выше 0.1 К, температура фонового излучения менее 1.6 К, мощность сигнала менее 1 фВт на частоте 350 ГГц, в полосе 100 ГГц, при объеме абсорбера 5*10^-20 м³. Такие условия оказываются нереальными для большинства практических случаев.  Для измерения сигналов на уровне 10-100 пВт требуется применение матриц из более 10-100 болометров, что позволяет избежать снижения отклика и сохранить высокие значения температурной чувствительности.  Работа докладывалась на Первой Всероссийской Микроволновой конференции 29 ноября 2013 года

Ключевые слова: сверхпроводниковые болометры, эквивалентная шуму мощность, вольтваттная чувствительность, температура фонового излучения.

Abstract. Integrated structures comprising cold electron bolometers and twin-slot antennas have been studied in the temperature range 0.06-3 K.  Dynamic resistance ratio and optical response was measured for 2-15 K black body radiation temperature.  For radiation temperature of 2.7 K, which corresponds to cosmic microwave radiation temperature, the optical responsivity was around 0.3*10⁹ V/W and temperature sensitivity of 2*10^-4 К/Hz^1/2.  Ratio of irradiated and measured power corresponds to matching efficiency of 0.6.  For obtaining of Noise Equivalent Power NEP=2*10^-18 W/Hz^1/2, that is required for many space-borne experiments, the temperature of sample should be below 0.1 К, background radiation temperature below 1.6 К, signal power below 1 fW at signal frequency 350 GHz, bandwidth 100 GHz and absorber volume 5*10^-20 m³.  Such requirements are not realistic for practical cases and to avoid saturation of receiver the arrays of bolometers should be used instead of a single bolometer.  For measurements of signal in the range of 10-100 pW the array should consist of over 10-100 bolometers. 

Key words: superconducting bolometers, noise equivalent power, responsivity, background radiation temperature.