[发明专利]一种可调控饱和能量的超导转变边沿传感器及其制作方法

说明书

本申请涉及一种可调控饱和能量的超导转变边沿传感器，包括：一层吸收体；两层以上TES薄膜，所有TES薄膜之间有序排列，直接或间接连接；至少一层TES薄膜与吸收体热连接；每个TES薄膜对应的超导转变边沿传感器饱和能量均不相同，每个TES薄膜连接有信号读出电路；热沉，与至少一层TES薄膜弱连接。本发明的有益效果是：对比单个TES薄膜的超导转变边沿传感器，本发明可以在基本不损失低能光子探测能量分辨率的情况下实现大动态范围测量。

技术领域

本申请属于传感器技术领域，尤其是涉及一种可调控饱和能量的超导转变边沿传感器及其制作方法。

背景技术

超导转变边沿传感器(transition edge sensor，TES)可用作x射线、γ射线等的能量探测，利用超导薄膜从电阻为0的超导态向电阻为R_n的正常态转变时电阻对温度敏感来探测入射x射线、γ射线等的能量。

如图1所示，TES由吸收体、TES薄膜、弱连接、热沉等组成。

其工作原理为：

如图2所示，超导体的正常态电阻为R_n，超导态电阻为0，当超导体的电阻R在超导转变边沿上，即0RR_n时，电阻与温度之间存在一一对应的关系，在测量入射光子能量前，TES薄膜由测试电路控制使其电阻R偏置在0RR_n的超导转变边沿上，热沉温度低于TES薄膜的偏置工作点温度。待测量的光子(能量为E)入射到吸收体并被吸收体吸收，吸收体将光子携带的能量全部转化成热能，吸收体温度上升，热量传递到TES薄膜后引起TES薄膜的温度升高，在这个过程中，TES薄膜的电阻也会随着温度升高而增加，随后，吸收体和TES薄膜的热量经过弱连接传递到热沉，TES薄膜的温度重新回到偏置工作点，准备下一次测量。

当测试电路和超导转变边沿探测器确定时，入射光子的能量E和探测过程中TES薄膜的峰值温度T_p一一对应。利用测试电路读出每一次测量过程中TES薄膜电阻变化的峰值R_p，当R_p＝R_n时，TES薄膜处于正常态，此时的TES薄膜饱和，表示入射光子能量E超过超导转变边沿传感器测量的动态范围，当RR_pR_n时，TES薄膜在该测试中的峰值温度k_p与R_p之间的对应关系由TES薄膜超导转变过程中的电阻随温度变化曲线给出。

综上所述，在测量入射光子能量过程中，入射光子能量E与TES薄膜峰值温度T_p存在一一对应关系，当R_pR_n时，TES薄膜电阻变化峰值R_p和TES薄膜峰值温度T_p一一对应。因此在TES能量测量动态范围内TES薄膜电阻变化峰值R_p与入射能量E一一对应。结论：通过对TES薄膜电阻的测量可以得到入射光子能量E。

评价超导转变边沿传感器性能的参量：能量分辨率和饱和能量；超导转变边沿传感器的能量分辨率为:

在实际应用中，ΔE越小表示测量结果的精度越高。在上式中，k_B为玻尔兹曼常数，T为工作点温度，C为超导转变边沿传感器的热容，α表示电阻对温度的敏感系数。

饱和能量：

超导转变边沿传感器存在的问题是TES薄膜超导转变边沿较窄，这使得光子能量的可测量动态范围很小。饱和能量与超导转变边沿传感器热容C，TES薄膜超导转变温度T_c相关的工作点温度T和TES薄膜电阻对温度的敏感系数α有关。