ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2014, № 1 · ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

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

М. Тарасов1, В. Эдельман2, С. Махашабде3, Л. Кузьмин3

1 ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, Москва, Россия
2 Институт физических проблем им. П.Л.Капицы РАН, Россия
3 Чалмерский технологический университет, Швеция, Швеция
Полный текст EDN SBPFEL

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*10 9 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 м 3. 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

  • Superconducting bolometers
  • noise equivalent power
  • background radiation temperature
  • responsivity
  • сверхпроводниковые болометры
  • эквивалентная шуму мощность
  • вольт-ваттная чувствительность
  • температура фонового излучения
Abstract (in English)

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*10 9 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 m 3. 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.

Для цитирования

Тарасов М., Эдельман В., Махашабде С., Кузьмин Л. Предельная чувствительность болометра на холодных электронах в зависимости от температуры болометра и мощности сигнала // Журнал радиоэлектроники. – 2014. – № 1.

Литература

  1. L.Kuzmin, I.Devyatov, D.Golubev, Cold-electron bolometer with electronic microrefrigeration and the general noise analysis, Proc. of SPIE, v. 3465, pp. 193-199.
  2. M. Tarasov, L. Kuzmin, V. Edelman, S. Mahashabde, P. de Bernardis, Optical Response of a Cold-Electron Bolometer Array Integrated with a 345 GHz Cross-Slot Antenna, IEEE Trans.Appl.Supercond. vol.21, No.6, December 2011, pp. 3635-3639.
  3. J.Zmuidzinas, H.G.LeDuc, Quasi-optical slot antenna SIS mixers, IEEE Trans. Mictowave Theory and Techniques, v. 40, No 9, 1797-1804 (1992).
  4. T.M.Weller, L.P.B.Katehi, G.M.Rebeiz, Single and double folded-slot antennas on semi-infinite substrates, IEEE Trans. Antennas and Propagation, v. 43, No 12, 1423-1428 (1995).
  5. P.Day, H.G.Leduc, C.D.Dowell, R.A.Lee, A.Turner, J.Zmuidzinas, Distributed antenna-coupled TES for FIR detector arrays, J. Low Temp. Phys., v. 151, pp. 477-482 (2008).
  6. M.J.Griffin, J.J.Bock, W.K.Gear, Relative performance of filled and feedhorn-coupled focal-plane architectures, Appl. Optics, vol. 41, No 31, 6543-6554 (2002).
  7. V.S.Edelman, G.V.Yakopov, A dilution microcryostat cooled by a refrigerator with a pulse tube, Instr. and Exp. Techn., Vol. 56, No. 5, pp. 613-615 (2013).
  8. D.Golubev, L.Kuzmin, Nonequillibrium theory of a hot-electron bolometer with normal-metal-insulator-superconductor tunnel junction, J.Appl. Phys., vol. 89, No 11, 6464-6472 (2001)
  9. B.S.Karasik, A.V.Sergeev, D.E.Prober, Nanobolometers for THz photon detection, IEEE Trans. on THz Sci. and Technol., (2011).