Detectores de partículas criogénicas, Tipos de detectores de partículas criogénicas, Otros métodos


Detectores de partículas criogénicas funcionan a temperaturas muy bajas, por lo general sólo unos pocos grados por encima del cero absoluto. Estos sensores interactúan con una partícula elemental enérgico y entregan una señal de que puede estar relacionado con el tipo de partícula y la naturaleza de la interacción. Mientras que muchos tipos de detectores de partículas pueden ser operados con un rendimiento mejorado a temperaturas criogénicas, este término se refiere generalmente a los tipos que se aprovechan de efectos especiales o propiedades que se producen sólo a temperatura baja.

La razón citada con mayor frecuencia para el funcionamiento de cualquier sensor a baja temperatura es la reducción en el ruido térmico, que es proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura absoluta. Sin embargo, a muy baja temperatura, ciertas propiedades de los materiales se vuelven muy sensibles a la energía depositada por las partículas en su paso a través del sensor, y la ganancia de estos cambios puede ser aún más que la de reducción de ruido térmico. Dos de tales propiedades comúnmente utilizados son la capacidad de calor y la resistividad eléctrica, en particular la superconductividad; otros diseños se basan en superconductores uniones túnel, la captura cuasipartículas, rotons en superfluídos, bolómetros magnéticas, y otros principios.

Originalmente, la astronomía empujó el desarrollo de detectores criogénicos para la radiación visible e infrarroja. Más tarde, la física de partículas y la cosmología desarrollo detector criogénico motivado para detectar partículas conocidas y previstas, como los neutrinos, axiones y partículas masivas de interacción débil.

Tipos de detectores de partículas criogénicas

Detección de partículas calorimétrico

Un calorímetro es un dispositivo que mide la cantidad de calor depositado en una muestra de material. Un calorímetro difiere de un bolómetro que en un calorímetro mide la energía, mientras que una fuente de medidas bolómetro.

Por debajo de la temperatura de Debye de un material dieléctrico cristalina, la capacidad de calor disminuye inversamente como el cubo de la temperatura absoluta. Se hace muy pequeño, por lo que el aumento de la temperatura de la muestra para una entrada de calor que puede ser relativamente grande. Esto hace que sea práctico para hacer un calorímetro que tiene una excursión de temperatura muy grande para una pequeña cantidad de entrada de calor, tales como el depositado por un partícula que pasa. El aumento de la temperatura se puede medir con un tipo estándar de termistor, como en un calorímetro clásica. En general, pequeño tamaño de la muestra y termistores muy sensibles están obligados a hacer un detector de partículas sensibles por este método.

En principio, se pueden utilizar varios tipos de termómetros de resistencia. El límite de la sensibilidad a la deposición de energía está determinada por la magnitud de las fluctuaciones de resistencia, que son a su vez determinado por las fluctuaciones térmicas. Puesto que todas las resistencias exhiben fluctuaciones de voltaje que son proporcionales a su temperatura, un efecto conocido como ruido Johnson, una reducción de la temperatura es a menudo la única manera de lograr la sensibilidad requerida.

 Superconductor sensores de bordes de transición

Un sensor calorimétrico muy sensible conocido como un sensor de borde de transición se aprovecha de la superconductividad. Superconductores más puros tienen una transición muy brusca de la resistividad normal superconductividad a una temperatura algo baja. Al operar en la transición de fase superconductora, un cambio muy pequeño en la temperatura resultante de la interacción con unos resultados de partículas en un cambio significativo de la resistencia.

 Superconductor uniones túnel

La unión túnel superconductor se compone de dos piezas de material superconductor separadas por una capa aislante muy delgada. También se conoce como una unión túnel superconductor-aislante-superconductor, y es un tipo de una unión Josephson. Pares de Cooper pueden crear un túnel a través de la barrera aislante, un fenómeno conocido como el efecto Josephson. Cuasi-partículas pueden también túnel a través de la barrera, a pesar de la corriente de cuasipartículas se suprime para voltajes de menos de dos veces la brecha de energía superconductor. Un fotón absorbido en un lado de un STJ rompe pares de Cooper y crea cuasi-partículas. En la presencia de un voltaje aplicado a través de la unión, el túnel cuasi-partículas través de la unión, y la corriente túnel resultante es proporcional a la energía del fotón. El STJ también puede ser utilizado como un detector heterodino explotando el cambio en la característica corriente-voltaje no lineal que resulta de efecto túnel asistida por fotones. STJs son los detectores heterodinos más sensibles disponibles para los 100 GHz - 1 rango de frecuencias THz y se emplean para la observación astronómica a estas frecuencias.

 Detectores de inductancia Kinetic

El detector de inductancia cinética se basa en la medición del cambio en la inductancia cinética causada por la absorción de fotones en una tira delgada de material superconductor. El cambio en la inductancia se mide típicamente a través del cambio en la frecuencia de resonancia de un resonador de microondas, y por lo tanto, estos detectores son conocidos también como detectores de inductancia cinéticos de microondas.

 Gránulos superconductores

La transición superconductora por sí solo puede ser usado para medir directamente el calentamiento causado por una partícula que pasa. Un tipo I superconductor de grano en un campo magnético exhibe perfecta diamagnetismo y excluye el campo completamente excluidos de su interior. Si se mantiene ligeramente por debajo de la temperatura de transición, la superconductividad se desvanece en el calentamiento por radiación de partículas, y el campo penetra en el interior de repente. Este cambio de campo puede ser detectado por una bobina que rodea. El cambio es reversible cuando el grano se enfría de nuevo. En la práctica, los granos deben ser muy pequeñas y cuidadosamente hecho, y cuidadosamente acoplado a la bobina.

 Calorímetros magnéticos

Iones de tierras raras paramagnéticos se han usado como sensores de partículas mediante la detección del giro voltea de los átomos paramagnéticos inducidas por calor absorbido en un material de baja capacidad calorífica. Los iones se utilizan como un termómetro magnético.

Otros métodos

Detección de partículas Phonon

Calorímetros asumen la muestra está en equilibrio térmico o casi. En materiales cristalinos a temperatura muy baja no es necesariamente el caso. Una buena parte de más información se puede encontrar mediante la medición de las excitaciones elementales de la red cristalina, o fonones, causada por la interacción de la partícula. Esto se puede hacer por varios métodos, incluyendo superconductores sensores de bordes de transición.

Nanocables superconductores detectores de fotón único

El nanocable detector de fotón único superconductor se basa en un alambre superconductor se enfría muy por debajo de la temperatura de transición superconductora y sesgada con una corriente continua que está cerca de, pero menor que la corriente crítica de superconducción. El SNSPD se hace típicamente de 5 nm películas de nitruro de niobio de espesor que se modelan como nanocables estrechas. La absorción de un fotón rompe pares de Cooper y reduce la corriente crítica por debajo de la corriente de polarización. Se forma una pequeña sección de no-superconductor través de la anchura de los nanocables. Esta sección no-superconductor resistiva a continuación, conduce a un pulso de voltaje detectable de una duración de aproximadamente 1 nanosegundo. Las principales ventajas de este tipo de detector de fotones son su alta velocidad y su baja tasa de recuento oscura. La principal desventaja es la falta de resolución intrínseca de energía.

Detectores Roton

En 4He superfluido las excitaciones colectivas elementales son fonones y rotons. Una partícula golpear un electrón o núcleo en este superfluido puede producir rotons, que pueden ser detectados bolometrically o por la evaporación de los átomos de helio cuando llegan a una superficie libre. 4He es intrínsecamente muy pura por lo que los rotons viajan balísticamente y son estables, de manera que grandes volúmenes de líquido se pueden utilizar.

Cuasi-partículas en 3He superfluido

En la fase B, por debajo de 0.001 K, 3He superfluido actúa de manera similar a un superconductor. Los pares de átomos están unidos como cuasi-partículas similares a los pares de Cooper con una muy pequeña diferencia de energía del orden de 100 nanoelectronvolts. Esto permite la construcción de un detector de análogo a un detector de túnel superconductor. La ventaja es que muchos pares podrían ser producidos por una única interacción, pero las dificultades son que es difícil de medir el exceso de átomos de 3He normales producidos y para preparar y mantener mucho superfluido a tan baja temperatura.