【摘 要】
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超导微波动态电感探测器(MKIDs)是一种主要应用在太赫兹频段中的大规模阵列型探测器。基于超导薄膜中库珀对拆散为基本原理,工作在亚K温区的超导微波动态电感探测器已成为太赫兹频段灵敏度最高的探测器之一。超导微波动态电感探测器相较于其他非相干探测器主要有着结构简单、容易集成大规模阵列和高灵敏度等优势。超导微波动态电感探测器阵列中的每一个像元均主要由平面超导谐振器和与之耦合的平面传输线组成。因此,平面超
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超导微波动态电感探测器(MKIDs)是一种主要应用在太赫兹频段中的大规模阵列型探测器。基于超导薄膜中库珀对拆散为基本原理,工作在亚K温区的超导微波动态电感探测器已成为太赫兹频段灵敏度最高的探测器之一。超导微波动态电感探测器相较于其他非相干探测器主要有着结构简单、容易集成大规模阵列和高灵敏度等优势。超导微波动态电感探测器阵列中的每一个像元均主要由平面超导谐振器和与之耦合的平面传输线组成。因此,平面超导谐振器作为超导微波动态电感探测器阵列像元的基础组成部分,研究其基本特性有助于理解和优化超导微波动态电感探测器的性能,为以后超导微波动态电感探测器在太赫兹望远镜上的应用打下基础。本文中我们从平面超导传输线特性表征为出发“点”,接着以研究少量像元的谐振器低温下的特性为“线”索,最后完成了工作在5THz频段的32×2像元阵列探测器的设计与表征方“面”的工作。本文针对应用于超导微波动态电感探测器的超导谐振器特性展开了充分研究,主要内容和创新点包括:1.研究了无序性超导体的相关理论,基于乌萨德尔方程求解了无序性超导材料的能隙和超导转变温度的数值解。进一步数值模拟了不同无序性下超导材料的复电导率,为了后续研究和表征应用了无序性超导材料的超导微波动态电感探测器的电磁响应提供了理论基础和数值解。2.研究了低温下表征超导传输线特性的方法,提出了 Thru-line自校准测量方法用于表征低温下超导传输线的基本特性。通过低温微波开关同步测量,在0.5 GHz到6 GHz频率范围内成功地表征了超导铌薄膜共面波导型传输线在3 K温度下的传播常数γ、特征阻抗Z0和有效介电常数εeff等;同时,在0.5 GHz到3 GHz频率范围内成功地表征了超导氮化钛薄膜的传播常数y、特征阻抗Z0和动态电感系数α等。我们针对Thru-line自校准测量方法的特点和限制也进行了充分的探讨。另外,我们讨论比较了低温下芯片安装测量中一些连接方式的优缺点,为后续超导微波动态电感探测器的安装测量提供参考。3.研究了超导铌薄膜半波长微带线谐振器的基本特性,主要探讨了封闭的金属腔体和以金属腔体作微带线的地对半波长微带线谐振器基本特性的影响。通过实验和仿真表明封闭的金属腔体在微带线谐振器的测量中不仅会产生腔体谐振,而且会引入一个始终跟随微带谐振的衰减极点。我们利用不同谐振间的模式耦合理论成功地解释了衰减极点的产生机制和位置。另外,我们比较了使用金属腔体作微带线的地和额外镀超导铌薄膜作微带线的地对微带线谐振器的影响。我们发现由于金属腔体的表面平整度问题,以金属腔体作微带线的地会在谐振器中引入空气间隙,造成谐振频率的偏移和额外的辐射损耗。4.研究了 2×5像元铌钛氮超导微波动态电感探测器阵列的基本特性,主要研究了分布式MKIDs和集总型KIDs基本谐振特性、噪声特性和响应时间。我们讨论和比较了表征谐振器动态电感系数的三种方法,并通过超导无序理论数值解求解了铌钛氮谐振器的频率响应和材料中的库珀对拆散效率。通过零差混频系统测试和比较了两种谐振器的噪声功率谱密度。另外,利用光纤和LED脉冲测量表征了铌钛氮谐振器的响应时间。5.研究了工作在5THz频段32×2像元铝膜超导微波动态电感探测器阵列的特性,主要探讨了天线和谐振器阵列的设计和超导微波动态电感探测器的表征工作。我们通过仿真验证了偶极子天线与谐振器的集成可行性,实验上表征了 32×2像元铝膜超导微波动态电感探测器阵列的谐振特性、像元存活率和电学噪声等效功率(Noise Equivalent Power,NEP),实验中表征了该探测器像元电学NEP可达4×10-16W/Hz0.5@300mK和6×10-17W/Hz0.5@200mK。
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