Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2014, № 1 · SOLID STATE ELECTRONICS

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

M. Tarasov1, V. Edelman2, S. Makhashabde3, L. Kuzmin3

1 Kotelnikov IRE RAS, Moscow, Russia
2 Институт физических проблем им. П.Л.Капицы РАН, Russia
3 Чалмерский технологический университет, Швеция, Sweden
Full text EDN SBPFEL

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*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.

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

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

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

For citation

Tarasov M., Edelman V., Makhashabde S., Kuzmin L. Предельная чувствительность болометра на холодных электронах в зависимости от температуры болометра и мощности сигнала // Journal of Radio Electronics. – 2014. – No. 1.

References

  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).