GB∕T 39722-2020 超导电子器件 传感器和探测器规范

GB/T39722—2020/IEC61788-22-1:2017传感器和探测器通用规范国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会IGB/T39722—2020/IEC61788-22-1:2017 Ⅲ 12规范性引用文件 1 1 4 4 45.2分类 7 8 87.1器件识别 87.2包装 8 8附录A(资料性附录)相干探测 9 9 附录B(资料性附录)直接探测 B.1金属磁热量计(MMC)类型 B.3超导带线(SS)类型 B.5转变边传感器(TES)类型 附录C(规范性附录)设备和图表用图形符号 C.4一种变形的连接形式 C.5约瑟夫森结 9Ⅱ 图B.1MMC探测器 图C.1超导区域，单端超导连接 图C.2超导区域，单端常导连接 见IEC60417-6370:2016-09) 图C.4串联连接 图C.5超导区域，两端超导由非常小的非超导区域连接(约瑟夫森结，见IEC60417-6371:2016-09) 表1被测量 4表2被测量的分类 5 6表4探测原理分类 7Ⅲ—GB/T2900.100—2017电工术语超导电性(IEC60050-815:2015,IDT)——GB/T4728(所有部分)电气简图用图形符号[IEC60617]——GB/T5465(所有部分)电气设备用图形符号第1部分：概述与分类(IEC60——GB/T16273(所有部分)设备用图形符号第1部分：通用符号(ISO7000)测器也是可行的，例如将超导转变边传感器(TES)用于X射线探测器，通过测量由被测量能量累积导致的温升实现探测。因此，在本标准中用术语“超导转变边现X射线探测的器件或装置。1GB/T39722—2020/IEC本标准给出了超导传感器和探测器的通用规范，这些是IEC61788其他部分中对各种类型传感器和探测器的规范的基础。所述传感器和探测器主要由超导材料组成并依赖于IEC60027(所有部分)电子管参数符号(Lettersymbolstobeusedinelectricaltechnology)IEC60050-815国际电工词汇第815部分：超导电性(InternationalElectrotechnicalVocabula-ry—Part815:Superconductivity)IEC60417电气设备用图形符号[Graphicalsymbolsforuseonequipment(见：http://www.ISO1000国际单位制及应用(SIunitsandrecoISO7000设备用图形符号收录符号[Graphicalsymbolsforuseonequipment—RegisteredIEC60050-815界定的以及下列术语临界电流调制系数criticalcurrentmodulationparameter2回滞系数Stewart-McCumberβc=2πI₈Rn²C/匝。,其中R。为约瑟夫森结正桥结bridgejunction通过小截面超导桥连接两块超导体形成的结。临界电流criticalcurrentI在超导体或约瑟夫森结中，可视为几乎是无阻流动的最大直流电流。临界电流密度criticalcurrentdensityJ。临界电流除以流经超导体或约瑟夫森结的横截面积。反馈线圈feedbackcoil在磁通锁定环(FLL)模式下，与SQUID感性耦合的线圈。磁通锁定环fluxlockedloop;FLL通过负反馈来保持SQUID环中的磁通量恒定来提高SQUID线性度和动态范围的方法。梯度计gradiometer耦合到一个SQUID磁强计的超导环路结构或多个SQUID磁强计组成的结构，仅对梯度磁场敏感或不对均匀磁场敏感。金属磁热量探测器metallicmagneticcalorimetricdetector一种通过检测金属吸收体磁化强度变化来测量其温升的超导器件，这种变化源于被测量导致的器一种检测超导带线微波表面阻抗变化的超导器件，这种变化源于被测量导致的器件能量累积。正常态电阻normalstateresistance处于正常态下的超导体或约瑟夫森结电阻。平面梯度计planargradiometer一种与SQUID耦合的磁通探测环路，用于测量与检测环路共平面的梯度磁场。3GB/T39722—2020/IEC准粒子quasiparticle通过破坏超导体中库珀对而形成的具有电子和空穴融合性质的一种激发态。一种通过检测超导微桥电阻的变化来实现测量辐射能量的外差混频式超导器件，这种变化源于被测量导致的器件能量累积。SQUID传感器SQUIDsensor一种利用包含一个或多个约瑟夫森结的闭环电路中的量子干涉效应的超导器件。SQUID阵列SQUIDarray;SQA一种由多个SQUID以串联和/或并联阵列形式组成的器件。最大环路尺寸一般不超过500nm的SQUID。包含一个或多个约瑟夫森结的多重超导结构。SQUID放大器SQUIDamplifier利用单个SQUID、SQUID阵列或其他基于SQUID的电流传感器电路组成的电流-电压转换器。亚能隙区域subgapregion位于隧道结I-V回滞曲线的底部分支上，该区域电压小于2△。亚能隙电流subgapcurrent隧道结在亚能隙区域的准粒子隧穿电流。超导带线探测器superconductingstripdetector一种检测长超导带线中的局域电阻变化的超导器件，这种变化源于被测量导致的器件能量累积。4GB/T39722—2020/IEC61788-22-1一种检测两块被势垒层隔开的超导体或超导体和正常导体之间隧穿●IEC60027(所有部分);附录C、IEC60417和IEC60617中做出了定义。而对于特定使用在其他传感器或探测器的图形符号在凡本标准中涉及到的某器件特有的任何专业术语都应采自相关的国际电工委员会(IEC)或国际标计数、能量、通量、时间计数、能量、通量、时间计数、能量、通量、时间其他(指定)5GB/T39722—2020/IEC表1(续)暗物质计数、能量、通量、时间电子计数、能量、通量、时间中微子计数、能量、通量、时间中子计数、能量、通量、时间计数、能量、通量、时间计数、能量、通量、时间计数、能量、通量、时间其他(指定)电容电流电感电阻电压其他(指定)电磁波其他(指定)辐射(电磁波)辐射(单个电磁辐射量子)6GB/T39722—2020/IEC61788-22-1:2017表3列出了多种类型的传感器和探测器(按英文字母顺序)。这些传感器和探测器将被测量转换为全称和英文缩写范例(MMCa-射线探测器或MMCAD)(MMCX-射线探测器或MMCXD)(MKI光子探测器或MKIPD)(MKIX-射线探测器或MKIXD)(SHEB光子探测器或SHEBPD)(SHEB太赫兹混频器或SHEBTM)(SQUID放大器或SQUIDA)(SQUID电流传感器或SQUIDCS)(SQUID梯度计或SQUIDG)(SQUID磁强计或SQUIDM)(SQIF磁强计或SQIFM)(SQUID阵列磁强计或SQUIDAM)(SS电子探测器或SSED)(SS离子探测器或SSID)(SS粒子探测器或SSPD)(SS光子探测器或SSPD)(SNS光子探测器或SNSPD)7全称和英文缩写范例(STJ粒子探测器或STJID)(STJ太赫兹混频器或STJTM)(STJ光子探测器或STJPD)(STJX-射线探测器或STJXD)(SIS太赫兹混频器或SISTM等效于STJTM)(SNS混频器或SNSM)(TES光子探测器或TESPD)(TESX-射线探测器或TESXD)指定传感器和探测器的探测原理可分为两类：相干探测和直接探测(见表4)。用于相干探测类的器件包括测辐射热计、传感器或者混频器，而用于直接探测类的器件包括热量计或者探测器。工作原理参见附录A(相干探测)和附录B(直接探测)。表4探测原理分类场和物理量的相干探测粒子的直接探测值得注意的是直接探测类的器件对单个粒子敏感，同时也可测量粒子的通量。问题在于超导器件8GB/T39722—2020/IEC词适用于粒子计数。态或利用陡峭的正常态-超导态转变沿来进行感应或检测被测量。工作温度范围由传感器或探测器的9GB/T39722—2020/IEC61788-22-1SHEB类型传感器能够探测亚毫米波和远红外元件都组合在一起。热阻R=1/G,(其中G是热导)是入射功率P和温度变化△T之间关系式系数，SHEB类型的一个例子是由两个厚金属电极通过一个小的氮化铌(NbN)超导微桥连接构成的器GB/T39722—2020/IECSHEB类型的一个优点是它可以通过快速的声子或电点使其能对超过1000GHz频率的辐射进行外差相干探测，而STJ混频器因为超导STJ结构与约瑟夫森隧道结完全相同[图A.2a]],但是约瑟夫森效应需要通过与结平面平行的磁经常被称作超导体-绝缘体-超导体(SIS)混频器。由于1000GHz以下频段没有合A.3超导量子干涉器件(SQUID)类型SQUID类型传感器能够进行磁通或磁场的灵敏检测。它是基于超导体所具有的磁通量子化和约瑟夫森效应。通常由包含一个约瑟夫森结(交流SQUID)或两个约瑟夫构成。当穿过SQUID环路的外界磁通发生变化时，SQUID器件的电感(交流S流SQUID)会发生相应的变化，因此可以用交流和直流的方法分别来探测外界磁通变化。利用该的电压-磁通响应(图A.3b)]。a)SQUID类型传感器概念图：磁强计是由超导探测线圈通过磁通变换器的形式与直流SQUID耦合而形成b)直流SQUID电路图和电压-磁通特性曲线场和电流。GB/T39722—2020/IEC直接探测MMC是通过测量小磁场中顺磁性传感器在被测能量累积后磁化强度变化，从而实现直接探测。接SQUID热连接热沉顺磁性传感器的一个例子是Au:Er顺磁性金属合金，该合金是在金母体中掺入300ppm至图B.1b)所示。这个改变由采用SQUID的超导电路读出。由于金属中磁自旋和传导电子间的强耦MMC探测器的一个优点是能量分辨率(△E)与吸收器的热容(C)弱关联。预期是△E0C¹/3,这波频率范围内的谐振频率(图B.2所示)。当一个被测量(例如一个光子)的能量累积在超导电感器里(图B.2),其中共面波导的作用是使频率范围在0.1GHz至20GHz的微波激发谐振器。谐振器激励和相位、谐振幅度变化的测量都由一个室温精密微波元件控制。波电缆读出。B.3超导带线(SS)类型SS通过测量制备在衬底上的超导带线在被测能量累积时产生的有阻态实现直接探测，有阻态源自热点形成或其他物理现象。其工作时，偏置电流设置在带线的临界电流值以下。探测器工作时相当于一种超导转变边缘器件。当产生的热点尺寸足够大以至于周围区域的电流密度超过临界电流密度时，在带线的整个宽度上将出现一片有阻区域(图B.3)。产生的内部热能会以远低于1ns的时间通过衬底弛豫和扩散掉，与此同时电阻带也随之消失。SS的一个例子是厚5nm、宽100nm的NbN带线。NbN带线工作在4K或以下的温度。为了得B.4超导隧道结(STJ)类型STJ也能基于被测能量吸收引起的准粒子激发实现直接测量。STJ结构与约瑟夫森结完全相同，遭到破坏从而产生多余的准粒子。多余的准粒子隧穿过两个超导电极(S1成隧穿电流增加[图B.4b]]。准粒子数量铝μma)STJ类型探测器概念图b)STJ类型探测器工作原理图 超导能隙。TES类型探测器概念图和工作原理图图B.5TES探测器TES的一个例子是Mo(60nm)/Cu(200nm)的双层膜，面积为400μm×400μm,生长在250nm厚的Si₃N₄膜上，工作温度70mK。TES由一个0.2mQ的铜电阻并联分流，该阻值远低于偏置点的电阻R,以实现恒压偏置。被测量能量的单次吸收产生的负电流脉冲通过串联SQUID阵列放大器变换TES的优点融合了极高能量分辨率的热量计性能和正常态-超导态窄转变宽度中间的稳定偏压，其中陡峭的R-T曲线可当作是一种高度灵敏的温度传感器。而且，ETF还可以补偿热量计固有的缓在本标准中，TES薄膜被定义为超导薄膜，尽管具有有限的电阻，但它仍然受到超导特性的影响。受超导特性影响的器件统称为超导器件。能量分辨率取决于C。(规范性附录)设备和图表用图形符号C.1超导区域，单端超导连接见图C.1。见图C.2。C.3正常态-超导态边界见图C.3图C.3超导区域，一端超导连接和一端常导连接(正常态-超导态边界，见IEC