超导探测器技术与发展

介绍了高Tc超导红外控测器的技术性能、特点及其应用，论述了各种探测机理和模式，扼要介绍了各种高超红外新产品和新技术的研究现状与发展趋势。 关键词：超导红外探测器；探测机理；高温超导器件 目前，高Tc超导红外探测器的研究已成为超导电子学中的重要内容之一，这是因为高Tc超导探测器的研制水平已进入实用阶段,并且成为光电探测技术发展的一个新方向.与传统的半导体探测器相比高Tc超导探测器在大于20μm的长波探测中将成为优良的接收器，这一点填补了电磁波谱中远红外至毫米波段的空白。此外，它还具有高集成、低功率高成品率、低价格的优点。预计这一技术将在天文探险测、光谱研究、远红外激光接收和军事光学等领域得到广泛应用。 1 超导探险测机理 用超导体检测红外辐射早在50年代就已开始，但由于20K以下低温的工作条件限制而一直停滞不前高Tc超导材料的问世使这一技术得到了新生。其探测机理有如下几种： 1．1 电阻与温度关系机制 这种原理的利用超导体从正常态转变到超导态时，电阻随温度变化而急剧改变的特性来检测红外辐射的一程机理。现有的高Tc bolometer就是依据这个原理研制而成的。 1．2 电感与温度关系机制 该机制是根据超导膜在Tc探测率下，其动态电感随温度变化而急剧改变来实现的。这种探测器在Tc下工作，可消除bolometer热噪声，并可非常精确地测定动电感Lk引起的频率变化，具有制作简单、灵敏度高的特点。 1．3 磁化率与温度关系机制 当红外辐射照射在超导敏感元件上并引起温度上升时，其磁化率将迅速变化，就种现象就像“磁场快门”。利用这种现象可通过磁机制的改变或交流磁化率的变化来实现对入射辐射检测，现已根据这一机理试制出NEP～10-11W·HZ-1/2探测器。这种探测器在低温下工作和室温下读取信号的设计非常有利。 1. 4 光助隧道效应 1962年，Josepson在理论上预言：若两个超导体之间隔有一层很薄的绝缘介质（约几纳米），那么弱电流（μA到mA）便可无阻地穿过。不久这一预言被贝尔实验室的实验所证实，这种现象称为约瑟夫逊效应。 1. 5 非平衡光电效应 Testardi认为：借助于光子破坏超导库柏电子对可产生准粒子，准粒子的存在将使超导能隙被压缩，并破坏超导电性。因而可利用这种现象实现对红外辐射的检测。 如今，研究人员已在Sn、Pb及其氧化物、BaPb-BiO和YBCO等材料中观察到这种现象。其响应时间优于10-4秒。 1. 6 光磁量子效应 这一效应是从超导相位滑移物理概念发展起来的，1990年由A.M.Kakin等人形成光磁量子探测红外辐射的新型机理。当条状导体宽度小于超导相干长度时，在临界电流Ic的作用下，其超导电性的破坏要经过局部相位滑移，并形成中心涡旋。就是说，超导能隙Δ局部压缩为零，超导相应重复地滑移。对于二维超导体来说，这个滑移过程连接成圈而形成涡旋—反涡旋对，在两个涡旋中由于产生的横向洛伦兹力使彼此排斥而分开。同时产生净磁通为φ0的电压脉冲。如今，用NbN和BaPbBiO膜已在实验上证实了这种光助涡旋量子探测辐射的微观机制，并分别得到Rv为6000V/W和104V/W的结果，其τ值优于纳秒。 1. 7 能斯脱效应 当入射光照射到高TC膜上时，膜内将产生垂直于表面的湿度梯度，在外加磁场下，沿膜表面可测出红外辐射的存在。它是运用磁通线的消钉扎和温度梯度驱动磁通线的机制来实现检测的。其响应速度较快，通常为10-6秒级。 1. 8 电流与湿度关系机制 1993年，M.I.Fiik等人设想出一种新型辐射失探测器，称为本征超导辐射探测器（ISRD）。它是利用超导薄膜的临界电流Ic与T的关系制成的，MIT获W·Hz1/2,D=2.7×109cm·H-1·W-1，该探测器具有达到声子噪音有线的潜力。 1. 9 热电子型 这是由Beukeley大学提出的深低温探测器，.可以大到1.15×1015cm·W-1的高性能。 2 超导红外探测器的性能特点 根据上述9种探测机理设计制造了各种样式的高Tc超导红外探测器，其中交成熟的是根据R～T关系制造的bolometer型器件。其次是Josephson结型器件。表1列出了现阶段几种高水平探测器的主要性能。 从表1可以看出，单元超导探测器性能已达到实用水平。它们大多是用YiBa2Cu3O7材料制造的，主要是因为该材料制膜工艺成熟，Tc可达到90K，因此，探测器的热学设计比较容易实现。