WO1991006016A1 - Superconductive radiation detector - Google Patents

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WO1991006016A1
WO1991006016A1 PCT/CH1990/000244 CH9000244W WO9106016A1 WO 1991006016 A1 WO1991006016 A1 WO 1991006016A1 CH 9000244 W CH9000244 W CH 9000244W WO 9106016 A1 WO9106016 A1 WO 9106016A1
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radiation detector
detector according
crystal body
radiation
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PCT/CH1990/000244
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Inventor
Damian Twerenbold
Original Assignee
Damian Twerenbold
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01TMEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16Measuring radiation intensity
    • G01T1/1606Measuring radiation intensity with other specified detectors not provided for in the other sub-groups of G01T1/16
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00Superconducting devices
    • H10N60/80Constructional details
    • H10N60/84Switching means for devices switchable between superconducting and normal states

Definitions

  • the invention relates to a superconducting radiation detector as defined in the preamble of claim 1.
  • radiation detectors which are operated at temperatures near absolute zero.
  • a known embodiment is the bolometer, in which the energy of absorbed particles is measured via the temperature rise induced in the process.
  • superconducting radiation detectors which are based on a non-thermal measurement principle in that the absorbed energy to be measured by the sensor is converted into surplus quasi-particles by breaking up Cooper pairs.
  • the excitation energy of a quasi-particle is given by the energy gap "delta" of the superconductor used, which corresponds to half the binding energy of a Cooper pair.
  • the minimum resolution of this sensor is determined by the smallest ionization energy of the detector material used. This smallest ionization energy is proportional to the energy gap "delta". In the practical example, it is on the order of 1 meV. The good intrinsic energy resolution is advantageous in both versions.
  • This object is achieved by a detector with the features of patent claim 1.
  • the decisive advantage of this detector consists in a useful signal that is several times larger than known detectors with comparable sensitivity and in the extremely wide range of possible applications with regard to the response energy, which is ultimately limited by the value 2 "delta".
  • the detector is also suitable for measuring a low radiation flow from ultraviolet radiation to extremely long-wave infrared radiation of about 1 mm wavelength.
  • Fig. 4 shows the example of a small-volume detector for the
  • the base is a crystal body 10 made from an electrically non-conductive crystal with low specific heat, for example from a silicon or germanium crystal or from beryllium, sapphire or diamond. At least one layer 1 of superconducting material is applied to the surface of the crystal body. Alternatively, a second layer 2 of superconducting material can be arranged between the crystal 10 and the layer 1. For reasons explained later, the superconducting energy gap “delta” 2 of the second layer 2 should be greater than the energy gap “delta” ⁇ of the first layer 1.
  • a temperature sensitive element 4 e.g. a thermo-electrical or optical converter, such as a thermistor or a ferroelectric dielectric, or a superconducting bolometer, the taps 5A, 5B of which are led to the outside to a measuring sensor 6.
  • the converter 4 is e.g. formed by heavily doping an area within the semiconductor crystal 10.
  • a ferroelectric dielectric can also be applied epitaxially.
  • the coated crystal structure 10 described is arranged in the effective range of a microwave field 8 emanating from a microwave generator 7.
  • a cryostat 9 keeps the assembly at the desired operating temperature, e.g. to a temperature in the range between 0.1 and 1.0 K.
  • the trapped energy can now be detected in two ways:
  • the first case (a) the energy particles to be measured or the radiation flow are absorbed directly by the superconducting layer 2. Cooper pairs are broken up, which in turn generates excess quasi-particles.
  • the second case (b) the radiation to be measured penetrates the crystal body and generates non-thermal phonons, ie lattice vibrations. The phonons then migrate into the superconducting layer 2, and those with an energy greater than 2 As in the first case, "delta" in turn generate excess quasi-particles.
  • the first case (a) provides the higher resolution or the better measurement sensitivity.
  • case (b) a larger detector volume is available, which ensures a high absorption rate, in particular for high-energy particle radiation.
  • the basic function of the detector device is explained below with reference to FIG. 2.
  • the radiation absorbed in the first layer 1 generates an excessive number of quasiparticles by breaking up the Cooper pairs. Those quasiparticles which are within the London penetration depth of the microwave radiation applied from the outside are excited to a higher energy level by absorption of microwaves. However, this excitation energy is immediately released again by the emission of a phonon of the same energy. Since the superconducting layer or layers 1, 2 are transparent to phonons of this energy, the phonons will get into the crystal body 10 and heat it.
  • the radiation to be measured is absorbed directly in the crystal body 10 and transported to the surface in the form of non-thermal phonons. Those phonons that get into the superconducting layer or layers 1, 2 break up Cooper pairs and generate an excessive number of quasi-particles. The rest of the process is then identical to case (a).
  • the thickness of the layer 1 must be comparable to the LONDON penetration depth.
  • the thicker second superconducting layer 2, whose energy gap "delta" 2 is greater than the energy gap "delta” ⁇ of the first layer 1, is used to prevent transmission of microwaves directly into the crystal body. As a result, the excessive quasiparticles within the first layer 1 held. An additional temperature rise in the crystal body 10, which would influence the measurement result, can thereby be avoided. Microwave losses in the cavity are also reduced.
  • the measuring device can be optimized according to the following criteria: radiation quanta with greater energy (> 10 keV) have a long absorption length and therefore require large-volume detectors. An interpretation according to the mentioned case (b) is suitable for this. On the other hand, if low-vegetarian X-rays or optical radiation are to be measured, training is sufficient
  • Case (a) i.e. the simple thickness of the superconducting layers of less than 1 ⁇ m.
  • the operating temperature T of the device to be maintained by the cryostat 9 must in any case be at most approximately 10% of the transition temperature of the first layer 1. This ensures that there is practically no recombination with thermal quasiparticles in layer 1.
  • the signal amplification of the detector can be used to obtain a large-volume detector for low temperature or to operate a small volume detector at a higher temperature.
  • the detector can be understood as a type of FET transistor.
  • a large part of the microwave energy conducted into the crystal is controlled by a small number of quasiparticles on the surface of the detector cell.
  • microwave energy is only absorbed by thermal quasiparticles, the density of which decreases exponentially as the temperature drops.
  • the microwave power is now set so that the temperature of the detector cell rises slightly when microwave energy is supplied.
  • the detector signal then depends on the ratio of the excess quasiparticles to the thermal quasiparticles.
  • Another advantage over the known bolometer is the additional utilization of the non-thermal phonon energy that is converted into thermal phonons by the described process of breaking up Cooper pairs and absorbing microwave energy.
  • a microwave cavity having an opening for feeding in the microwave field is suitable for better application of the microwave field.
  • the cavity body is also made of a superconducting material, e.g. made of niobium. In this way, energy losses from the supplied microwave field are kept extremely low. In the example, they are 100 ⁇ W at an operating temperature between 0.1 and 1.0 K.
  • FIG. 3 shows the implementation of a large-volume (1000 cm *) gamma radiation detector for measuring energies greater than 1 MeV at a low temperature of 100 mK. Because of the high microwave fluxes required and the reflection of the microwaves on the superconducting layer, a rectangular microwave cavity 3 is used. The transducer 4 is inserted in a wall 11 of the cavity, which is not directly exposed to the microwave radiation. The crystal body 10 is thermally decoupled from the microwave cavities by a thermal decoupling 14. On the cavity side, the decoupling 14 must have superconducting properties, the energy gap of this superconductor having to be smaller than the energy gap of the second superconducting layer 2.
  • a third superconducting layer 12 or the same material as for the thermal decoupling 14 is suitable, so that there is a continuous decoupling barrier made of superconducting material, in the example of NbN.
  • the use of NbN is advantageous in that no excessive quasiparticles on the detector surface can get into the superconducting Nb cavity because the energy gap of NbN is greater than that of Nb.
  • Another side 13 within the cavity is open to the radiation to be measured.
  • a plurality of cavities 3 can be arranged on the surface of the crystal body 10.
  • part of the surface of the crystal body 10 remains accessible at any suitable location. In principle, any point on the crystal surface can remain freely accessible for the radiation to be measured.
  • Fig. 4 shows the implementation of a small-volume detector for e.g. 6 keV X-ray or IR radiation with high energy resolution at 0.9 K, i.e. the lowest temperature that can be reached with a 4He cryostat.
  • the same detector can be used to detect small flows of optical photons up to the far infrared region.
  • the crystal body 10 is installed in the wall of a microwave cavity 3 made of Nb.
  • the crystal body 10 consists of Be or Si.
  • Two detector elements are shown in this illustration, which is intended to indicate that detector arrays can also be implemented according to the principle shown, the individual crystal bodies being separated by thermal decoupling 14, e.g. also made of Be or Si.
  • the areas which form the detector cells, as well as the thermal decoupling areas 14 located between them, can consist of the same crystal material, in particular of a single piece, this arrangement is particularly suitable for an automated manufacturing process how this is applied to integrated circuits.
  • the energy gap "delta" 3 of the third superconducting layer is larger than the energy gap "delta" 2 of the second layer 2.
  • a heat sensor 4 suitable for this example can be designed as a thermistor, which is connected to a measurement sensor with a current source and a voltage amplifier as essential elements.
  • the heat sensor can consist of a measuring dielectric, to which a measuring sensor with a voltage source and a charge amplifier is connected.
  • a gamma radiation detector for 1 MeV consists, for example, of 1000 cm 3 germanium.
  • the crystal body is surrounded by 1.5 ⁇ m Nb and 0.1 ⁇ m AI.
  • the microwave frequency is 35 GHz.
  • the detector achieves the best possible energy resolution of 45 eV at 1 MeV, with a microwave power flow of 0.1 MWcm "2. This energy resolution is determined by the fluctuations in the gain, which are caused by the energy gap in the first layer 1, in this case AI.
  • the calculated Q value of the cavity is 10 ⁇ , which corresponds to a power loss of 100 ⁇ W with a microwave power flow of 0.1 MWcm ⁇ 2 Microwave generator supplied and removed from the cryostat at 0.1 K.
  • An X-ray detector for 6 keV consists of a 1 mm x 1 mm x 0.1 mm Be crystal, which is surrounded by 1.5 ⁇ m NbN and 0.1 ⁇ m PbB.
  • the quasiparticle lifetime "tau" x is 50 ⁇ sec.
  • the microwave frequency is 70 GHz.
  • the detector achieves the best possible energy resolution of 7.5 eV at 6 keV, with a microwave power flow of 100 MWcm "2. This energy resolution is determined by the fluctuations in the gain, which are caused by the energy gap in the first layer 1, in this case PbB.
  • the calculated Q value of the cavity is 10 * 3 , which corresponds to a power loss of 100 ⁇ W for this cavity with a microwave power flow of 100 MWcm "2 . This must be supplied by the microwave generator and removed by the cryostat at 0.9 K.
  • the X-ray detector for 6 keV consists of a 0.5 mm ⁇ 0.5 mm ⁇ 0.1 mm Si crystal which is surrounded by 1.5 ⁇ m NbN and 0.1 ⁇ m PbB.
  • the quasiparticle lifetime "tau" ⁇ is 100 ⁇ sec in this case.
  • the microwave frequency is 35 GHz.
  • the detector achieves the best possible energy resolution of 10 eV at 6 keV, with a microwave power flow of 1 MWcm ⁇ 2.
  • the calculated Q value of the cavity is 10 ⁇ , which corresponds to a power loss of 100 ⁇ W with a microwave power flow of 1 MWcm "2. This must be supplied by the microwave generator and dissipated by the cryostat at 0.8 K. .
  • a 1 mm x 1 mm x 0.1 mm Be crystal is surrounded by 1.5 ⁇ m NbN and 0.1 ⁇ m PbB.
  • the quasiparticle lifespan "tau" ⁇ is 50 ⁇ sec.
  • the microwave frequency is 70 GHz. Values of 10 "19 W /, / Hz can be reached before the detector becomes unstable.
  • an infrared detector consists of a 0.5 mm x 0.5 mm x 0.1 mm Si crystal, which is surrounded by 1.5 ⁇ m NbN and 0.1 ⁇ m PbB.
  • the quasiparticle lifetime "tau" x is 100 ⁇ sec.
  • the microwave frequency is 35 GHz. Values of 10 "19 W / VHz can be reached before the detector becomes unstable.

Abstract

A radiation detector with a crystalline body (10) of low specific heat has a temperature measurement element (4) and a cryostatic temperature regulator (9) for setting a predetermined operating temperature. The crystalline body (10) ist further provided with a superconductive layer (1) that is not connected with an external electric potential. To control the device, the cryostatic temperature regulator (9) is set below the transition temperature of the superconductor (1). The superconductive layer (1) is exposed to a micro-wave field (1). The thickness of the superconductive layer (1) corresponds approximately to the LONDON depth of penetration of the micro-wave radiation applied to that layer. A second superconductive layer (2) is preferably arranged between the crystalline body (10) and the first superconductive layer (1). This second layer is thicker than the first layer (1). This detector is less limited than known detectors as far as its dimensions and working temperature are concerned, and has therefore an extraordinarily wide range of aplications. Besides being useful to measure particle radiation, such as gamma or X-ray radiation, the detector may also be used to measure the low radiant flux of ultraviolet radiation, as well as an extremely long wave infra-red radiation with approximately 1 mm wavelength.

Description

Supraleitender Strahlungsdetektor Superconducting radiation detector
Die Erfindung betrifft einen supraleitenden Strahlungsdetektor, wie er im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 definiert ist.The invention relates to a superconducting radiation detector as defined in the preamble of claim 1.
Zur Erzielung einer besonders hohen Ansprech-Empfindlichkeit sind Strahlungsdetektoren bekannt, welche bei Temperaturen nahe des absoluten Nullpunktes betrieben werden. Eine bekannte Ausführungs¬ form ist das Bolometer, bei welchem die Energie von absorbierten Teilchen über den dabei induzierten Temperaturanstieg gemessen wird. Neben dieser thermischen Messmethode gibt es auch supra¬ leitende Strahlungsdetektoren, welche auf einem nicht-thermischen Messprinzip beruhen, indem die vom Sensor zu messende absorbierte Energie durch Aufbrechen von Cooper-Paaren in überzählige Quasi¬ teilchen verwandelt wird. Die Anregungsenergie eines Quasi¬ teilchens ist gegeben durch die Energielücke "delta" des ver¬ wendeten Supraleiters, welche der halben Bindungsenergie eines Cooper-Paares entspricht. Die minimale Auflösung dieses Sensors ist durch die kleinste Ionisierungsenergie des verwendeten Detek¬ tormaterials bestimmt. Diese kleinste Ionisierungsenergie ist proportional zur Energielücke "delta". Sie liegt im praktischen Beispiel in der Grössenordnung von 1 meV. Von Vorteil sind bei beiden Ausführungen die gute intrinsische Energieauflösung.In order to achieve a particularly high response sensitivity, radiation detectors are known which are operated at temperatures near absolute zero. A known embodiment is the bolometer, in which the energy of absorbed particles is measured via the temperature rise induced in the process. In addition to this thermal measurement method, there are also superconducting radiation detectors, which are based on a non-thermal measurement principle in that the absorbed energy to be measured by the sensor is converted into surplus quasi-particles by breaking up Cooper pairs. The excitation energy of a quasi-particle is given by the energy gap "delta" of the superconductor used, which corresponds to half the binding energy of a Cooper pair. The minimum resolution of this sensor is determined by the smallest ionization energy of the detector material used. This smallest ionization energy is proportional to the energy gap "delta". In the practical example, it is on the order of 1 meV. The good intrinsic energy resolution is advantageous in both versions.
Für beide Detektorarten sind jedoch die praktischen Anwendungen beschränkt, da im Fall des Bolometers der Betrieb auf extrem tiefe Temperaturen von weniger als 10 mK oder im Fall der supraleitenden Tunnelkontakte auf kleine Abmessungen, nämlich auf ein Schicht¬ dicke kleiner als 1 μm und damit auf ein ungenügendes nutzbares Volumen, begrenzt ist. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Strahlungs- Detektor zu entwickeln, der mindestens eine gleich gute Auf¬ lösung hat wie bekannte Sensoren, aber hinsichtlich der Abmes¬ sungen und der Betriebstemperatur weniger stark eingeschränkt ist.However, the practical applications for both types of detectors are limited, since in the case of the bolometer the operation at extremely low temperatures of less than 10 mK or in the case of the superconducting tunnel contacts to small dimensions, namely to a layer thickness of less than 1 μm and thus to one insufficient usable volume is limited. It is an object of the present invention to develop a radiation detector which has at least the same good resolution as known sensors, but is less restricted in terms of dimensions and operating temperature.
Diese Aufgabe wird durch einen Detektor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Der entscheidende Vorteil dieses Detek¬ tors besteht in einem um ein Mehrfaches gegenüber bekannten Detektoren vergrösserten Nutzsignal bei vergleichbarer Empfind¬ lichkeit und in der ausserordentlich breiten Anwendungsmöglich¬ keit hinsichtlich der Ansprech-Energie, die letztlich durch den Wert 2"delta" beschränkt ist. Ausser zur Messung von Teilchen¬ strahlung, wie Gammastrahlung oder Röntgenstrahlung, ist der Detektor auch zur Messung eines niedrigen Strahlungsflusses von Ultraviolett-Strahlung bis zu extrem langwelliger Infrarot¬ strahlung von etwa 1 mm Wellenlänge geeignet.This object is achieved by a detector with the features of patent claim 1. The decisive advantage of this detector consists in a useful signal that is several times larger than known detectors with comparable sensitivity and in the extremely wide range of possible applications with regard to the response energy, which is ultimately limited by the value 2 "delta". In addition to measuring particle radiation, such as gamma radiation or X-rays, the detector is also suitable for measuring a low radiation flow from ultraviolet radiation to extremely long-wave infrared radiation of about 1 mm wavelength.
Einzelheiten und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen.Details and further advantages of the invention result from the following description of exemplary embodiments.
Die Figuren zeigen:The figures show:
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Strahlungsdetektors nach der Erfindung,1 shows the basic structure of a radiation detector according to the invention,
Fig. 2 die Darstellung verschiedener Energie-Niveaus in verschiedenen Bereichen des Detektors nach Fig. 1,2 shows the representation of different energy levels in different areas of the detector according to FIG. 1,
Fig. 3 das Beispiel eines grossvolumigen Gammastrahlungs- Detektors, und3 shows the example of a large-volume gamma radiation detector, and
Fig. 4 das Beispiel eines kleinvolumigen Detektors für dieFig. 4 shows the example of a small-volume detector for the
Messung von Röntgenstrahlung, mit der Möglichkeit zur Ausbildung als Detektor-A ray. Anhand von Fig. 1 wird zunächst der prinzipielle Aufbau des Detektors gezeigt. Ähnlich wie bei einem Bolometer ist die Basis ein Kristallkörper 10 aus einem elektrisch nichtleitenden Kristall mit kleiner spezifischen Wärme, z.B. aus einem Sili¬ zium- oder Germanium-Kristall oder aus Beryllium, Saphir oder Diamant. Auf der Oberfläche des Kristallkörpers ist mindestens eine Schicht 1 aus supraleitendem Material aufgebracht. Alter¬ nativ kann zwischen dem Kristall 10 und der Schicht 1 eine zweite Schicht 2 aus supraleitendem Material angeordnet sein. Dabei soll aus später dargelegten Gründen die supraleitende Energielücke "delta"2 der zweiten Schicht 2 grösser sein als die Energielücke "delta"ι der ersten Schicht 1.X-ray measurement, with the possibility of training as a detector-A ray. The basic structure of the detector is shown first with reference to FIG. 1. Similar to a bolometer, the base is a crystal body 10 made from an electrically non-conductive crystal with low specific heat, for example from a silicon or germanium crystal or from beryllium, sapphire or diamond. At least one layer 1 of superconducting material is applied to the surface of the crystal body. Alternatively, a second layer 2 of superconducting material can be arranged between the crystal 10 and the layer 1. For reasons explained later, the superconducting energy gap “delta” 2 of the second layer 2 should be greater than the energy gap “delta” ι of the first layer 1.
In der Kristallzelle 10 ist ein Temperatur-empfindliches Element 4, z.B. ein thermo-elektrischer oder optischer Wandler, wie ein Thermistor oder ein ferroelektrisches Dielektrikum, oder ein supraleitendes Bolometer angebracht, dessen Abgriffe 5A, 5B nach aussen zu einem Messwertaufnehmer 6 geführt sind. Der Wandler 4 ist z.B. durch starkes Dotieren eines Bereiches innerhalb des Halbleiterkristalls 10 gebildet. Es kann auch ein ferroelek¬ trisches Dielektrikum epitaxial aufgetragen sein.In the crystal cell 10 there is a temperature sensitive element 4, e.g. a thermo-electrical or optical converter, such as a thermistor or a ferroelectric dielectric, or a superconducting bolometer, the taps 5A, 5B of which are led to the outside to a measuring sensor 6. The converter 4 is e.g. formed by heavily doping an area within the semiconductor crystal 10. A ferroelectric dielectric can also be applied epitaxially.
Abweichend von einem konventionellen Bolometer ist die beschrie¬ bene beschichtete KristallStruktur 10 im Wirkungsbereich eines von einem Mikrowellengenerator 7 ausgehenden Mikrowellenfeldes 8 angeordnet. Ein Kryostat 9 hält die Anordnung auf der gewünschten Betriebstemperatur, z.B. auf eine Temperatur im Bereich zwischen 0,1 und 1,0 K.In a departure from a conventional bolometer, the coated crystal structure 10 described is arranged in the effective range of a microwave field 8 emanating from a microwave generator 7. A cryostat 9 keeps the assembly at the desired operating temperature, e.g. to a temperature in the range between 0.1 and 1.0 K.
Die Auswirkung von Mikrowellenstrahlung auf das Widerstands¬ verhalten von Supraleitern ist grundsätzlich beschrieben in: F. London: "Superfluids, Macroscopic Theory of Superconductivity", Vol.l, Dover Publications, New York 1961. Dort ist eine "L0ND0N- Eindringtiefe" der Mikrowellen in eine supraleitende Schicht definiert. In der oben beschriebenen Konfiguration wird nun die erste supraleitende Schicht 1 in einer Dicke aufgebracht, welche nicht viel grösser ist als die LONDON-Eindringtiefe.The effect of microwave radiation on the resistance behavior of superconductors is basically described in: F. London: "Superfluids, Macroscopic Theory of Superconductivity", Vol. 1, Dover Publications, New York 1961. There is a "L0ND0N penetration depth" of the microwaves into a superconducting layer Are defined. In the configuration described above, the first superconducting layer 1 is now applied in a thickness which is not much greater than the LONDON penetration depth.
Der Nachweis der eingefangenen Energie kann nun auf zweierlei Wegen erfolgen: Im ersten Fall (a) werden die zu messenden Ener¬ gieteilchen oder der Strahlungsfluss direkt von der supraleiten¬ den Schicht 2 absorbiert. Dabei werden Cooper-Paare aufgebrochen, wodurch wiederum überschüssige Quasi-Teilchen erzeugt werden. Im zweiten Fall (b) dringt die zu messende Strahlung in den Kristall¬ körper ein und erzeugt nicht-thermische Phononen, also Gitter¬ schwingungen.. Die Phononen migrieren dann in di.e supraleitende Schicht 2, und jene mit einer Energie grösser als 2"delta" er¬ zeugen wiederum, wie im ersten Fall, überschüsige Quasi-Teilchen. Der erste Fall (a) liefert die höhere Auflösung bzw. die bessere Messempfindlichkeit. Dagegen steht im Fall (b) ein grösseres Detektor-Volumen zur Verfügung, wodurch eine hohe Absorptions¬ rate, insbesondere für energiereiche Teilchenstrahlung, gewähr¬ leistet ist.The trapped energy can now be detected in two ways: In the first case (a), the energy particles to be measured or the radiation flow are absorbed directly by the superconducting layer 2. Cooper pairs are broken up, which in turn generates excess quasi-particles. In the second case (b), the radiation to be measured penetrates the crystal body and generates non-thermal phonons, ie lattice vibrations. The phonons then migrate into the superconducting layer 2, and those with an energy greater than 2 As in the first case, "delta" in turn generate excess quasi-particles. The first case (a) provides the higher resolution or the better measurement sensitivity. In contrast, in case (b) a larger detector volume is available, which ensures a high absorption rate, in particular for high-energy particle radiation.
Im folgenden wird die prinzipielle Funktion der Detektorvor¬ richtung anhand von Fig. 2 erläutert. Beschrieben wird zunächst der oben genannte Fall (a). Die in der ersten Schicht 1 absor¬ bierte Strahlung erzeugt durch Aufbrechen der Cooper-Paare eine übermässige Anzahl von Quasiteilchen. Jene Quasiteilchen, welche sich innerhalb der London-Eindringtiefe der von aussen angelegten Mikrowellenstrahlung befinden, werden durch Absorption von Mikro¬ wellen auf ein höheres Energie-Niveau angeregt. Diese Anregungs¬ energie wird jedoch sofort durch die Emission eines Phonons gleicher Energie wieder abgegeben. Da die supraleitende Schicht bzw. die Schichten 1, 2 für Phononen dieser Energie transparent sind, werden die Phononen in den Kristallkörper 10 gelangen und diesen erwärmen. Es wird angenommen, dass nach diesem Prozess der kombinierten Mikrowellen-Absorption und Phononen-Emission der Zustand der Quasiteilchen nicht verändert wird, so dass die über- massigen Quasiteilchen während ihrer gesamten Lebensdauer "tau"x von fast 100 μsec katalytisch vom Mikrowellen-Feld Energie aufnehmen und in Form von thermischer Energie an den Kristallkörper 10 abgeben können. Die Folge ist ein wegen des niedrigen spezifischen Wärmewertes für das Kristallmaterial starker Temperaturanstieg. Durch die Kombination des Kristall- körpers mit der supraleitenden Schicht und dem Mikrowellenfeld ergibt sich eine grosse Signal-Verstärkung für den Detektor.The basic function of the detector device is explained below with reference to FIG. 2. First, the above case (a) is described. The radiation absorbed in the first layer 1 generates an excessive number of quasiparticles by breaking up the Cooper pairs. Those quasiparticles which are within the London penetration depth of the microwave radiation applied from the outside are excited to a higher energy level by absorption of microwaves. However, this excitation energy is immediately released again by the emission of a phonon of the same energy. Since the superconducting layer or layers 1, 2 are transparent to phonons of this energy, the phonons will get into the crystal body 10 and heat it. It is assumed that after this process of combined microwave absorption and phonon emission the state of the quasiparticles is not changed, so that the over- massive quasiparticles during their entire lifespan "tau" x of almost 100 μsec can absorb energy catalytically from the microwave field and release it to the crystal body 10 in the form of thermal energy. The result is a sharp rise in temperature due to the low specific heat value for the crystal material. The combination of the crystal body with the superconducting layer and the microwave field results in a large signal gain for the detector.
Im oben erwähnten Fall (b) wird die zu messende Strahlung direkt im Kristallkörper 10 absorbiert und in Form von nicht-thermischen Phononen an die Oberfläche transportiert. Diejenigen Phononen, die in die supraleitende Schicht bzw. Schichten 1, 2 gelangen, brechen Cooper-Paare auf und erzeugen eine übermässige Zahl von Quasi¬ teilchen. Der weitere Vorgang ist dann identisch zu Fall (a).In the case (b) mentioned above, the radiation to be measured is absorbed directly in the crystal body 10 and transported to the surface in the form of non-thermal phonons. Those phonons that get into the superconducting layer or layers 1, 2 break up Cooper pairs and generate an excessive number of quasi-particles. The rest of the process is then identical to case (a).
Da die Quasiteilchen nur in der LONDON-Eindringtiefe mit den Mikro¬ wellen in Wechselwirkung treten können, muss die Dicke der Schicht 1 vergleichbar zur LONDON-Eindringtiefe sein. Zur Verhinderung einer Transmission von Mikrowellen direkt in den Kristallkörper dient dabei die dickere zweite supraleitende Schicht 2, deren Energielücke "delta"2 grösser ist als die Energielücke "delta"} der ersten Schicht 1. Dadurch werden die übermäs- sigen Quasiteilchen innerhalb der ersten Schicht 1 gehalten. Ein zusätzlicher Temperaturanstieg im Kristallkörper 10, welcher das Messergebnis beeinflussen würde, lässt sich dadurch vermeiden. Ferner werden Mikrowellenverluste in der Kavität reduziert.Since the quasiparticles can only interact with the microwaves at the LONDON penetration depth, the thickness of the layer 1 must be comparable to the LONDON penetration depth. The thicker second superconducting layer 2, whose energy gap "delta" 2 is greater than the energy gap "delta" } of the first layer 1, is used to prevent transmission of microwaves directly into the crystal body. As a result, the excessive quasiparticles within the first layer 1 held. An additional temperature rise in the crystal body 10, which would influence the measurement result, can thereby be avoided. Microwave losses in the cavity are also reduced.
Im Hinblick auf die Art der vom Detektor zu messenden Strahlung lässt sich die Messvorrichtung nach folgenden Kriterien opti¬ mieren: Strahlungsquanten mit grösser Energie ( >10 keV) haben eine grosse Absorptionslänge und benötigen daher grossvolu ige Detektoren. Dazu eignet sich eine Auslegung gemäss dem erwähnten Fall (b). Soll dagegen niederenegetische Röntgenstrahlung oder optische Strahlung gemessen werden, genügt eine Ausbildung nach
Figure imgf000008_0001
With regard to the type of radiation to be measured by the detector, the measuring device can be optimized according to the following criteria: radiation quanta with greater energy (> 10 keV) have a long absorption length and therefore require large-volume detectors. An interpretation according to the mentioned case (b) is suitable for this. On the other hand, if low-vegetarian X-rays or optical radiation are to be measured, training is sufficient
Figure imgf000008_0001
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Fall (a), d.h. die einfache Dicke der supraleitenden Schichten von weniger als 1 μm. Zur Erzielung der gewünschten Arbeitsweise der beschriebenen Vorrichtung darf die durch den Kryostat 9 ein¬ zuhaltende Betriebstemperatur T der Vorrichtung in jedem Fall höchstens ca. 10 % der Sprungtemperatur der ersten Schicht 1 betragen. Dadurch wird sichergestellt, dass praktisch keine Rekombination mit thermischen Quasiteilchen in der Schicht 1 stattfindet.Case (a), i.e. the simple thickness of the superconducting layers of less than 1 μm. In order to achieve the desired mode of operation of the device described, the operating temperature T of the device to be maintained by the cryostat 9 must in any case be at most approximately 10% of the transition temperature of the first layer 1. This ensures that there is practically no recombination with thermal quasiparticles in layer 1.
Da für eine gegebene deponierte zu messende Energie der Temper¬ aturanstieg bei sinkender Kryostat-Temperatur T0 mit T~^ steigt und umgekehrt -proportional zum Detektorvolumen ist, kann die SignalVerstärkung des Detektors verwendet werden, um für tiefe Temperatur einen grossvolumigen Detektor zu erhalten oder einen kleinvolumigen Detektor bei höherer Temperatur zu betreiben.Since the temperature rise for a given deposited energy to be measured increases with decreasing cryostat temperature T 0 and T ~ ^ and is inversely proportional to the detector volume, the signal amplification of the detector can be used to obtain a large-volume detector for low temperature or to operate a small volume detector at a higher temperature.
Die Ausnutzung der langen Lebensdauer der Quasiteilchen und ihre Funktion als "Katalysator" bei der Absorption der Mikrowellen und bei der Emission von Phononen ist der entscheidende Schritt zur Erzielung der erwähnten Verstärkung und damit der erreichbaren hohen Signal/Rausch-Verhältnisse. Der Detektor lässt sich in dieser Hinsicht als eine Art FET-Transistor verstehen. Ein Gross¬ teil der in den Kristall geleiteten Mikrowellen-Energie wird durch eine kleine Anzahl von Quasiteilchen auf der Oberfläche der Detektorzelle gesteuert. Im Ruhezustand wird Mikrowellenenergie nur durch thermische Quasiteilchen absorbiert, deren Dichte bei fallender Temperatur exponentiell abnimmt. Die Mikrowellen- leistung wird nun so eingestellt, dass die Temperatur der Detek¬ torzelle bei Zufuhr von Mikrowellenenergie leicht ansteigt. Das Detektorsignal hängt dann vom Verhältnis der überschüssigen Quasiteilchen zu den thermischen Quasiteilchen ab.The exploitation of the long life of the quasiparticles and their function as a "catalyst" in the absorption of microwaves and in the emission of phonons is the decisive step in achieving the aforementioned gain and thus the achievable high signal / noise ratios. In this regard, the detector can be understood as a type of FET transistor. A large part of the microwave energy conducted into the crystal is controlled by a small number of quasiparticles on the surface of the detector cell. At rest, microwave energy is only absorbed by thermal quasiparticles, the density of which decreases exponentially as the temperature drops. The microwave power is now set so that the temperature of the detector cell rises slightly when microwave energy is supplied. The detector signal then depends on the ratio of the excess quasiparticles to the thermal quasiparticles.
Als weiterer Vorteil gegenüber dem bekannten Bolometer ergibt sich die zusätzliche Ausnutzung der nicht-thermischen Phononen- energie, die durch den beschriebenen Prozess des Aufbrechens von Cooper-Paaren und Absorption von Mikrowellenenergie in thermische Phononen umgewandelt werden.Another advantage over the known bolometer is the additional utilization of the non-thermal phonon energy that is converted into thermal phonons by the described process of breaking up Cooper pairs and absorbing microwave energy.
Zur besseren Applikation des Mikrowellenfeldes eignet sich ein Mikrowellen-Hohlraum, der eine Öffnung zur Einspeisung des Mikro¬ wellen-Feldes aufweist. Vorzugsweise besteht der Hohlraumkörper ebenfalls aus einem supraleitenden Material, z.B. aus Niob. Damit werden Energieverluste aus dem zugeführten Mikrowellenfeld ausser- ordentlich niedrig gehalten. Sie betragen im Beispiel 100 μW bei einer Betriebstemperatur zwischen 0,1 und 1,0 K.A microwave cavity having an opening for feeding in the microwave field is suitable for better application of the microwave field. Preferably the cavity body is also made of a superconducting material, e.g. made of niobium. In this way, energy losses from the supplied microwave field are kept extremely low. In the example, they are 100 μW at an operating temperature between 0.1 and 1.0 K.
Anhand der folgenden Figuren werden einige bevorzugte Ausführungs¬ beispiele verschiedener Detektortypen näher dargestellt. Es sei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass sich die Beispiele je nach dem gewünschten Anwendungszweck abwandeln und anpassen lassen, so dass die gezeigten Beispiele nicht einschränkend zu verstehen sind.On the basis of the following figures, some preferred exemplary embodiments of different detector types are shown in more detail. However, it is expressly pointed out that the examples can be modified and adapted depending on the desired application, so that the examples shown are not to be understood as restrictive.
Fig. 3 zeigt die Realisierung eines grossvolumigen (1000 cm*) Gammastrahlungs-Detektors zur Messung von Energien grösser als 1 MeV bei einer Tieftemperatur von 100 mK. Wegen der benötigten hohen Mikrowellenflüsse und der Reflexion der Mikrowellen an der supraleitenden Schicht wird eine rechteckige Mikrowellen-Kavität 3 verwendet. In einer Wand 11 der Kavität, welche der Mikrowel¬ lenstrahlung nicht direkt ausgesetzt ist, ist der Wandler 4 ein¬ gesetzt. Durch eine thermische Entkopplung 14 ist der Kristall¬ körper 10 thermisch von den Mi rowellen-Kavitäten entkoppelt. Kavitätsseitig muss die Entkopplung 14 Supraleitungseigenschaften haben, wobei die Energielücke dieses Supraleiters kleiner sein muss als die Energielücke der zweiten supraleitenden Schicht 2. Zu diesem Zweck eignet sich entweder eine dritte supraleitende Schicht 12, oder das gleiche Material wie für die thermische Entkopplung 14, so dass sich eine durchgehende Entkopplungsbar¬ riere aus supraleitendem Material, im Beispiel aus NbN, ergibt. Die Verwendung von NbN ist insofern von Vorteil, als keine über- mässigen Quasiteilchen an der Detektoroberfläche in die supra¬ leitende Nb-Kavität gelangen können, weil die Energielücke von NbN grösser ist als jene von Nb. Eine andere Seite 13 innerhalb der Kavität ist offen für die zu messende Strahlung.3 shows the implementation of a large-volume (1000 cm *) gamma radiation detector for measuring energies greater than 1 MeV at a low temperature of 100 mK. Because of the high microwave fluxes required and the reflection of the microwaves on the superconducting layer, a rectangular microwave cavity 3 is used. The transducer 4 is inserted in a wall 11 of the cavity, which is not directly exposed to the microwave radiation. The crystal body 10 is thermally decoupled from the microwave cavities by a thermal decoupling 14. On the cavity side, the decoupling 14 must have superconducting properties, the energy gap of this superconductor having to be smaller than the energy gap of the second superconducting layer 2. For this purpose either a third superconducting layer 12 or the same material as for the thermal decoupling 14 is suitable, so that there is a continuous decoupling barrier made of superconducting material, in the example of NbN. The use of NbN is advantageous in that no excessive quasiparticles on the detector surface can get into the superconducting Nb cavity because the energy gap of NbN is greater than that of Nb. Another side 13 within the cavity is open to the radiation to be measured.
Auf der Oberfläche des Kristallkörpers 10 können mehrere Kavi- täten 3 angeordnet sein. Für den Einsatz des Temperatur-Mess¬ elements 4 bleibt an beliebiger geeigneter Stelle ein Teil der Oberfläche des Kristall örpers 10 zugänglich. Auch für die zu messende Strahlung kann grundsätzlich eine beliebige Stelle der KristallOberfläche frei zugänglich bleiben.A plurality of cavities 3 can be arranged on the surface of the crystal body 10. For the use of the temperature measuring element 4, part of the surface of the crystal body 10 remains accessible at any suitable location. In principle, any point on the crystal surface can remain freely accessible for the radiation to be measured.
Fig. 4 zeigt die Realisierung eines kleinvolu igen Detektors für z.B. 6 keV Röntgen- bzw. IR-Strahlung mit hoher Energieauflösung bei 0,9 K, d.h. der tiefsten Temperatur, die sich mit einem 4He- Kryostaten erreichen lässt. Der gleiche Detektor kann im Prinzip zum Nachweis von kleinen Flüssen optischer Photonen bis in das Gebiet des fernen Infrarots benutzt werden. Auch in diesem Bei¬ spiel ist der Kristallkörper 10 in der Wand einer Mikrowellen- Kavität 3 aus Nb eingebaut. Der Kristallkörper 10 besteht im Beispiel aus Be oder Si. Es werden in dieser Darstellung zwei Detektorelemente gezeigt, womit angedeutet werden soll, dass sich auch Detektor-Arrays nach dem dargestellten Prinzip realisieren lassen, wobei die einzelnen Kristallkörper durch eine thermische Entkopplung 14, z.B. auch aus Be oder Si, getrennt sind.Fig. 4 shows the implementation of a small-volume detector for e.g. 6 keV X-ray or IR radiation with high energy resolution at 0.9 K, i.e. the lowest temperature that can be reached with a 4He cryostat. In principle, the same detector can be used to detect small flows of optical photons up to the far infrared region. In this example too, the crystal body 10 is installed in the wall of a microwave cavity 3 made of Nb. In the example, the crystal body 10 consists of Be or Si. Two detector elements are shown in this illustration, which is intended to indicate that detector arrays can also be implemented according to the principle shown, the individual crystal bodies being separated by thermal decoupling 14, e.g. also made of Be or Si.
Da in diesem Beispiel die Bereiche, welche die Detektorzellen bilden, wie auch die dazwischen liegenden thermischen Entkopp¬ lungsbereiche 14, aus dem gleichen Kristallmaterial bestehen, insbesondere aus einem einzigen Stück sein können, eignet sich diese Anordnung vorzüglich für ein automatisiertes Herstellungs¬ verfahren, ähnlich wie dies für integrierte Schaltungen angewendet wird. Kavitätsseitig befindet sich auf der thermischen Entkopplung 14 eine dritte supraleitende Schicht 12, die z.B. aus Nb-Ge be¬ steht. Dabei ist die Energielücke "delta"3 der dritten supra¬ leitenden Schicht grösser als die Energielücke "delta"2 der zweiten Schicht 2.Since, in this example, the areas which form the detector cells, as well as the thermal decoupling areas 14 located between them, can consist of the same crystal material, in particular of a single piece, this arrangement is particularly suitable for an automated manufacturing process how this is applied to integrated circuits. On the cavity side, there is a third superconducting layer 12 on the thermal decoupling 14, which consists, for example, of Nb-Ge. The energy gap "delta" 3 of the third superconducting layer is larger than the energy gap "delta" 2 of the second layer 2.
Ein für dieses Beispiel geeigneter Wärmefühler 4 kann als Ther¬ mistor ausgebildet sein, der an einen Messwertaufnehmer mit einer Stromquelle und einem Spannungsverstärker als wesentliche Elemente angeschlossen ist. Alternativ kann der Wärmefühler aus einem Mess-Dielektriku bestehen, an welches ein Messwertauf¬ nehmer mit einer Spannungsquelle und einem Ladungsverstärker angeschlossen ist.A heat sensor 4 suitable for this example can be designed as a thermistor, which is connected to a measurement sensor with a current source and a voltage amplifier as essential elements. Alternatively, the heat sensor can consist of a measuring dielectric, to which a measuring sensor with a voltage source and a charge amplifier is connected.
Ein Gammastrahlungs-Detektor für 1 MeV besteht z.B. aus 1000 cm3 Germanium. Der Kristallkörper ist von 1,5 μm Nb und 0,1 μm AI umgeben. Die Quasiteilchen-Lebensdauer "tau"x ist 100 μsec, und der Detektor ist mit einer Wärmeleitungszeit "tau"c = 1 msec an das Wärmebad bei T = 0,1 K angekoppelt. Die Mikrowellenfrequenz beträgt 35 GHz. Der Detektor erreicht die bestmögliche Energie¬ auflösung von 45 eV bei 1 MeV, bei einem Mikrowellen-Leistungs- fluss von 0,1 MWcm"2. Diese Energieauflösung ist durch die Fluktuationen in der Verstärkung bestimmt, welche durch die Ener¬ gielücke der ersten Schicht 1, in diesem Fall AI, gegeben ist. Der gerechnete Q-Wert der Kavität beträgt 10^, was bei einem Mikro- wellen-Leistungsfluss von 0,1 MWcm~2 bei dieser Kavität einem Leistungsverlust von 100 μW entspricht. Dieser muss durch den Mikrowellengenerator nachgeliefert und vom Kryostaten bei 0,1 K abgeführt werden.A gamma radiation detector for 1 MeV consists, for example, of 1000 cm 3 germanium. The crystal body is surrounded by 1.5 μm Nb and 0.1 μm AI. The quasiparticle lifetime "tau" x is 100 μsec, and the detector is coupled to the heat bath at T = 0.1 K with a heat conduction time "tau" c = 1 msec. The microwave frequency is 35 GHz. The detector achieves the best possible energy resolution of 45 eV at 1 MeV, with a microwave power flow of 0.1 MWcm "2. This energy resolution is determined by the fluctuations in the gain, which are caused by the energy gap in the first layer 1, in this case AI. The calculated Q value of the cavity is 10 ^, which corresponds to a power loss of 100 μW with a microwave power flow of 0.1 MWcm ~ 2 Microwave generator supplied and removed from the cryostat at 0.1 K.
Ein Röntgenstrahlungs-Detektor für 6 keV besteht aus einem 1 mm x 1 mm x 0,1 mm Be-Kristall, der durch 1,5 μm NbN und 0,1 μm PbB umgeben ist. Die Quasiteilchen-Lebensdauer "tau"x ist 50 μsec. Der Detektor ist mit einer Wärmeleitungszeit "tau"c = 1 msec an das Wärmebad bei T = 0,9 K angekoppelt. Die Mikrowellenfrequenz beträgt 70 GHz. Der Detektor erreicht die bestmögliche Energie¬ auflösung von 7,5 eV bei 6 keV, bei einem Mikrowellen-Leistungs- fluss von 100 MWcm"2. Diese Energieauflösung ist durch die Fluktuationen in der Verstärkung bestimmt, welche durch die Ener¬ gielücke der ersten Schicht 1 gegeben ist, in diesem Fall PbB. Der gerechnete Q-Wert der Kavität beträgt 10*3, was bei einem Mikrowellen-Leistungsfluss von 100 MWcm"2 bei dieser Kavität einem Leistungsverlust von 100 μW entspricht. Dieser muss durch den Mikrowellen-Generator nachgeliefert und vom Kryostaten bei 0,9 K abgeführt werden.An X-ray detector for 6 keV consists of a 1 mm x 1 mm x 0.1 mm Be crystal, which is surrounded by 1.5 μm NbN and 0.1 μm PbB. The quasiparticle lifetime "tau" x is 50 μsec. The detector is coupled with a heat conduction time "tau" c = 1 msec to the heat bath at T = 0.9 K. The microwave frequency is 70 GHz. The detector achieves the best possible energy resolution of 7.5 eV at 6 keV, with a microwave power flow of 100 MWcm "2. This energy resolution is determined by the fluctuations in the gain, which are caused by the energy gap in the first layer 1, in this case PbB. The calculated Q value of the cavity is 10 * 3 , which corresponds to a power loss of 100 μW for this cavity with a microwave power flow of 100 MWcm "2 . This must be supplied by the microwave generator and removed by the cryostat at 0.9 K.
Gemäss einem abgewandelten Beispiel besteht der Röntgenstrah¬ lungs-Detektor für 6 keV aus einem 0,5 mm x 0,5 mm x 0,1 mm Si- Kristall, der durch 1,5 μm NbN und 0,1 μm PbB umgeben ist. Die Quasiteilchen-Lebensdauer "tau"χ ist in diesem Fall 100 μsec. Der Detektor ist mit einer Wärmeleitungszeit "tau"c = 1 msec an das Wärmebad bei T = 0,8 K angekoppelt. Die Mikrowellenfrequenz be¬ trägt 35 GHz. Der Detektor erreicht die bestmögliche Energieauf¬ lösung von 10 eV bei 6 keV, bei einem Mi rowellen-Leistungsfluss von 1 MWcm~2. Der gerechnete Q-Wert der Kavität beträgt 10^, was bei einem Mikrowellen-Leistungsfluss von 1 MWcm"2 bei dieser Kavität einem Leistungsverlust von 100 μW entspricht. Dieser muss durch den Mikrowellen-Generator nachgeliefert und vom Kryostaten bei 0,8 K abgeführt werden.According to a modified example, the X-ray detector for 6 keV consists of a 0.5 mm × 0.5 mm × 0.1 mm Si crystal which is surrounded by 1.5 μm NbN and 0.1 μm PbB. The quasiparticle lifetime "tau" χ is 100 μsec in this case. The detector is coupled with a heat conduction time "tau" c = 1 msec to the heat bath at T = 0.8 K. The microwave frequency is 35 GHz. The detector achieves the best possible energy resolution of 10 eV at 6 keV, with a microwave power flow of 1 MWcm ~ 2. The calculated Q value of the cavity is 10 ^, which corresponds to a power loss of 100 μW with a microwave power flow of 1 MWcm "2. This must be supplied by the microwave generator and dissipated by the cryostat at 0.8 K. .
In der Ausbildung als Infrarot-Detektor ist z.B. ein 1 mm x 1 mm x 0,1 mm Be-Kristall durch 1,5 μm NbN und 0,1 μm PbB umgeben. Die Quasiteilchen-Lebensdauer "tau"χ ist 50 μsec. Der Detektor ist mit einer Wärmeleitungszeit "tau"c = 1 msec und das Wärmebad bei T = 0,9 K angekoppelt. Die Mikrowellenfrequenz beträgt 70 GHz. Werte von 10"19 W/,/Hz können erreicht werden, bevor der Detektor unstabil wird. Der gerechnete Q-Wert der Kavität beträgt Q = 1013, was bei einem Mi rowellenLeistungsfluss von 100 MWcm"2 bei dieser Kavität einem Leistungsverlust von 100 μW entspricht. Dieser muss durch den Mikrowellen-Generator nachgeliefert und vom Kryostaten bei 0,9 K abgeführt werden.In the design as an infrared detector, for example, a 1 mm x 1 mm x 0.1 mm Be crystal is surrounded by 1.5 μm NbN and 0.1 μm PbB. The quasiparticle lifespan "tau" χ is 50 μsec. The detector is coupled with a heat conduction time "tau" c = 1 msec and the heat bath at T = 0.9 K. The microwave frequency is 70 GHz. Values of 10 "19 W /, / Hz can be reached before the detector becomes unstable. The calculated Q value of the cavity is Q = 10 13 , which corresponds to a power loss of 100 μW for a cavity with a power flow of 100 MWcm "2. This must be supplied by the microwave generator and dissipated by the cryostat at 0.9 K.
Schiiesslich besteht ein Infrarot-Detektor aus einem 0,5 mm x 0,5 mm x 0,1 mm Si-Kristall, der durch 1,5 μm NbN und 0,1 μm PbB umgeben ist. Die Quasiteilchen-Lebensdauer "tau"x ist 100 μsec. Der Detektor ist mit einer Wärmeleitungszeit "tau"c = 1 msec und das Wärmebad bei T = 0,8 K angekoppelt. Die Mikrowellenfre¬ quenz beträgt 35 GHz. Werte von 10"19 W/VHz können erreicht werden, bevor der Detektor unstabil wird. Der gerechnete Q-Wert der Kavität beträgt Q = 10*2, was bei einem Mikrowellen- Leistungsfluss von 1 MWcm"2 bei dieser Kavität einem Leistungs¬ verlust von 100 μW entspricht. Diese muss durch den Mikrowellen- Generator nachgeliefert und vom Kryostaten bei 0,8 K abgeführt werden. Finally, an infrared detector consists of a 0.5 mm x 0.5 mm x 0.1 mm Si crystal, which is surrounded by 1.5 μm NbN and 0.1 μm PbB. The quasiparticle lifetime "tau" x is 100 μsec. The detector is coupled with a heat conduction time "tau" c = 1 msec and the heat bath at T = 0.8 K. The microwave frequency is 35 GHz. Values of 10 "19 W / VHz can be reached before the detector becomes unstable. The calculated Q value of the cavity is Q = 10 * 2 , which with a microwave power flow of 1 MWcm " 2 results in a loss of power in this cavity of 100 μW corresponds. This must be supplied by the microwave generator and removed by the cryostat at 0.8 K.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Supraleitender Strahlungsdetektor mit einem Kristallkörper (10) von kleiner spezifischer Wärme, mit einem daran ange¬ schlossenen Temperatur-Messelement (4) und mit .einem Kryostaten (9) zur Einregelung einer vorgegebenen Betriebstemperatur, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallkörper (10) mit einer nicht an elektrisches Fremdpotential angeschlossenen supra¬ leitenden Schicht (1) versehen ist, dass der Kryostat (9) auf einen Betrieb unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters (1) eingestellt ist, und dass die supraleitende Schicht (1) einem Mikrowellenfeld (8) ausgesetzt ist.1. Superconducting radiation detector with a crystal body (10) of low specific heat, with a temperature measuring element (4) connected to it and with a cryostat (9) for regulating a predetermined operating temperature, characterized in that the crystal body (10) is provided with a superconducting layer (1) that is not connected to external electrical potential, that the cryostat (9) is set to operate below the transition temperature of the superconductor (1), and that the superconducting layer (1) is exposed to a microwave field (8) is exposed.
2. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der supraleitenden Schicht (1) etwa der LONDON- Eindringtiefe der angelegten Mikrowellenstrahlung in dieser Schicht entspricht.2. Radiation detector according to claim 1, characterized in that the thickness of the superconducting layer (1) corresponds approximately to the LONDON penetration depth of the applied microwave radiation in this layer.
3. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kristallkörper (10) und der ersten supra¬ leitenden Schicht (1) eine zweite supraleitende Schicht (2) vorhanden ist, wobei die zweite supraleitende Schicht (2) dicker ist als die erste (1).3. Radiation detector according to claim 1, characterized in that a second superconducting layer (2) is present between the crystal body (10) and the first superconducting layer (1), the second superconducting layer (2) being thicker than the first (1).
4. Strahlungsdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite supraleitende Schicht (2) aus einem Material be¬ steht, dessen Supraleitungs-Energielücke "delta2" grösser ist als diejenige "delta^" der ersten supraleitenden Schicht (1). 4. Radiation detector according to claim 3, characterized in that the second superconducting layer (2) consists of a material whose superconducting energy gap "delta2" is greater than that "delta ^" of the first superconducting layer (1).
5. Strahlungsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der supraleitungs-beschichtete Kristallkörper (10) an eine Mikrowellen-Kavität angekoppelt ist, und dass zwischen dem supra- leitungs-beschichteten Kristallkörper (10) und der Kavitätswand (3) eine thermische Entkopplung (14) angebracht ist, welche Bestandteil der Kavitätswand (3) ist.5. Radiation detector according to claim 2, characterized in that the superconductor-coated crystal body (10) is coupled to a microwave cavity, and that between the superconductor-coated crystal body (10) and the cavity wall (3) a thermal decoupling ( 14) is attached, which is part of the cavity wall (3).
6. Strahlungsdetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Entkopplung (14) auf der Kavität-zuge- wandten Seite aus einer dritten supraleitenden Schicht (12), z.B. aus NbN, besteht, wobei die Energielücke "delta1^ der dritten Schicht grösser ist als die Energielücke "delta"2 der zweiten supraleitenden Schicht (2).6. Radiation detector according to claim 5, characterized in that the thermal decoupling (14) on the cavity-facing side consists of a third superconducting layer (12), for example of NbN, the energy gap "delta 1 ^ of the third layer is greater than the energy gap "delta" 2 of the second superconducting layer (2).
7. Strahlungsdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Entkopplung (14) vollständig aus dem Material der dritten supraleitenden Schicht (12), z.B. aus NbN, besteht.7. Radiation detector according to claim 6, characterized in that the thermal decoupling (14) completely from the material of the third superconducting layer (12), e.g. consists of NbN.
8. Strahlungsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche des Kristallkörpers (10) eine oder mehrere Mikrowellen-Kavität(en) (3) angeordnet sind.8. Radiation detector according to claim 2, characterized in that on the surface of the crystal body (10) one or more microwave cavity (s) (3) are arranged.
9. Strahlungsdetektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Oberfläche des Kristallkörpers (10) über eine Einsatzöffnung (11) für das Temperatur-Messelement (4) zugänglich ist.9. Radiation detector according to claim 8, characterized in that part of the surface of the crystal body (10) is accessible via an insert opening (11) for the temperature measuring element (4).
10. Strahlungsdetektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Oberfläche des Kristallkörpers (10) über eine Einlassöffnung (13) für die zu messende Strahlung zugänglich ist.10. Radiation detector according to claim 8, characterized in that part of the surface of the crystal body (10) is accessible via an inlet opening (13) for the radiation to be measured.
11. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallkörper (10) aus Germanium und die erste supra¬ leitende Schicht (1) aus Aluminium bestehen. 11. Radiation detector according to claim 1, characterized in that the crystal body (10) made of germanium and the first superconducting layer (1) consist of aluminum.
12. Strahlungsdetektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auslegung als Gammastrahlungsdetektor ein Germanium- oder Siliziumkristallkörper (10) mindestens im Bereich der Mikrowellen- Exposition mit einer Nb-Schicht (2) einer Dicke im μm-Bereich und zusätzlich mit einer dünneren Al-Schicht(l) beschichtet ist.12. Radiation detector according to claim 11, characterized in that for the design as a gamma radiation detector a germanium or silicon crystal body (10) at least in the range of microwave exposure with an Nb layer (2) with a thickness in the μm range and additionally with a thinner Al -Layer (l) is coated.
13. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auslegung als Infrarot- bzw. Röntgenstrahlungsdetektor ein Berylliu -Kristallkörper (10) mindestens im Bereich der Mikrowellen-Exposition mit einer NbN-Schicht (2) und zusätzlich mit der ersten supraleitenden Schicht (1) aus PbB beschichtet ist, wobei die Schichtdicke der NbN-Schicht (2) im μm-Bereich liegt und die PbB-Schicht (1) dünner ist als die NbN-Schicht (2).'13. Radiation detector according to claim 1, characterized in that for design as an infrared or X-ray detector, a Berylliu crystal body (10) at least in the range of microwave exposure with an NbN layer (2) and additionally with the first superconducting layer (1 ) is coated from PbB, the layer thickness of the NbN layer (2) being in the μm range and the PbB layer (1) being thinner than the NbN layer (2). '
14. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auslegung als Infrarot- bzw. Röntgenstrahlungsdetektor ein Silizium-Kristallkörper (10) mindestens im Bereich der Mikrowellen-Exposition mit einer NbN-Schicht (2) und zusätzlich mit der ersten supraleitenden Schicht (1) aus PbB beschichtet ist, wobei die Schichtdicke der NbN-Schicht (2) im μm-Bereich liegt und die PbB-Schicht (1) dünner ist als die NbN-Schicht (2).14. Radiation detector according to claim 1, characterized in that for the design as an infrared or X-ray detector, a silicon crystal body (10) at least in the range of microwave exposure with an NbN layer (2) and additionally with the first superconducting layer (1 ) is coated from PbB, the layer thickness of the NbN layer (2) being in the μm range and the PbB layer (1) being thinner than the NbN layer (2).
15. Strahlungsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der supraleitungs-beschichtete Kristallkörper (10) in der Wand einer Mikrowellen-Kavität (3) eingesetzt ist und dass der Schichtaufbau nach Art integrierter Schaltungen ausgebildet ist.15. Radiation detector according to claim 2, characterized in that the superconductor-coated crystal body (10) is used in the wall of a microwave cavity (3) and that the layer structure is designed in the manner of integrated circuits.
16. Strahlungsdetektor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wand der Kavität (3) eine Gruppe von Kristallkörpern als Array angeordnet ist, wobei die einzelnen Kristallkörper durch eine thermische Entkopplung (14) voneinander entkoppelt sind. 16. Radiation detector according to claim 15, characterized in that a group of crystal bodies is arranged as an array in the wall of the cavity (3), the individual crystal bodies being decoupled from one another by thermal decoupling (14).
17. Strahlungsdetektor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Entkopplung (14) aus dem gleichen Material besteht wie der Kristallkörper (10).17. Radiation detector according to claim 16, characterized in that the thermal decoupling (14) consists of the same material as the crystal body (10).
18. Strahlungsdetektor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Entkopplung (14) und der Kristallkörper (10) aus einem einzigen, identischen Stück bestehen.18. Radiation detector according to claim 17, characterized in that the thermal decoupling (14) and the crystal body (10) consist of a single, identical piece.
19. Strahlungsdetektor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Entkopplung (14) kavitätsseitig mit einer dritten supraleitenden Schicht (12), z.B. aus Nb-Ge, versehen ist, wobei die Energielücke "delta"3 der dritten Schicht grösser ist als die Energielücke "delta"2 der zweiten supraleitenden Schicht (2). 19. Radiation detector according to claim 16, characterized in that the thermal decoupling (14) on the cavity side with a third superconducting layer (12), e.g. made of Nb-Ge, the energy gap "delta" 3 of the third layer being greater than the energy gap "delta" 2 of the second superconducting layer (2).
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