超导动态电感探测器动态响应特性研究

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太赫兹(THz)频段介于光学红外与微波之间,具有重要的科学意义和丰富的应用前景。在天文学研究领域,THz频段占有宇宙近一半的光子能量,是观测冷暗宇宙及宇宙生命环境的独特波段。南极冰穹A是地面开展THz天文观测的最佳台址,为此我国正在规划建设一台5米THz望远镜(DATE5)。为了满足其天文观测需求,中科院紫金山天文台开展了太赫兹超导阵列成像系统(TeSIA)的研发。超导动态电感探测器(MKIDs)由于其平面制备工艺相对简单、灵敏度高、易于大规模阵列集成的特点,成为TeSIA项目的核心探测器。本论文主要开展了 MKIDs动态响应特性的研究,包括谐振频率、谐振器品质因子、准粒子复合时间等特性的研究,并开展了成像演示应用研究。相关研究为TeSIA项目作出了重要贡献。论文的主要研究工作及创新点归纳如下:1)构建了用于350GHz频段8×8像元MKIDs阵列的频分复用读出系统,并对其中激励信号发生单元的输出特性进行了系统研究,实现了生成梳状谱信号的稳定性、一致性、以及动态范围特性的优化。基于优化的频分复用读出系统,实现了对350GHz频段8×8像元A1 MKIDs阵列谐振器传输响应幅值随温度变化的精确表征。2)实验表征了 350GHz频段8 ×8像元A1 MKIDs阵列在亚K温区的谐振特性,并研究了谐振特性与环境温度的相关性。此外,通过数值拟合得到了 MKIDs谐振器的各项特性参数,重点对谐振器负载品质因子Ql进行了统计分析,发现大部分MKIDs谐振器的Q1值分布在20000-50000范围。3)针对MKIDs阵列准粒子复合时间特性研究需求,构建了一套零差混频测量系统,并通过对IQ混频器进行平衡性校准实现了其性能优化。基于该系统,实验表征了 350GHz频段8×8像元A1 MKIDs准粒子复合时间特性,在63mK测得的50-nm Al MKIDs的准粒子复合时间达40.3 μs。此外,还对准粒子复合时间与LED光脉冲峰值电压、超导薄膜厚度以及环境温度的相关性进行了详细表征,发现了 LED光功率和超导薄膜厚度与准粒子复合时间的相关性。4)合作搭建了用于350GHz频段8×8像元A1 MKIDs阵列成像演示系统,并合作开展了室内以及观测现场成像演示实验,在观测现场成像演示实验中成功获得了太阳及月亮的太赫兹辐射图像。本论文的研究工作加深了对超导动态电感探测器各项特性的理解。MKIDs动态响应特性的研究对于深入理解MKIDs物理机理,进一步优化其性能有重要意义,为研制面向太赫兹天文观测应用的高灵敏度MKIDs大规模阵列打下了重要基础。
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