Надпровідний однофотонний детектор

Надпровідний однофотонний детектор, що містить діелектричну підкладку, на якій розміще 3 Основними недоліками відомого технічного рішення є недостатня чутливість, швидкодія і низька надійність надпровідного однофотонного детектора, обумовлені неефективністю використання всієї площі надпровідного однофотонного детектора і неможливість подальшого підвищення ефективності його роботи шляхом зменшення перетинів смуг чутливого елементу, а також великий відсоток бракованих виробів. Оскільки надпровідникова смуга виконується в плані на межі сучасної літографії, то її ширина в різних перетинах по довжині відхилятиметься більш ніж на 10% за рахунок краєвих ефектів, що у численні зростатиме у міру зменшення ширини смуги. У вузьких зазорах між суміжними ланками меандра утворюються паразитні містки (перемички), які замикають окремі ланки меандру, виключаючи їх роботи і знижуючи геометричне заповнення підкладки надпровідного однофотонного детектора і його ефективність. Смуга формується магнетронним розпилюванням в перебігу декількох секунд і відхилення її товщини по всій довжині смуги перевищить 10%. Крім того це може привести до порушень цілісності смуги і до відбракування надпровідного однофотонний детектора. Такі порушення зростатимуть у міру зменшення товщини смуги. Технологія виготовлення смуги швидкоплинна і слабокерована, що, розкид параметрів в перетині і щільність критичного струму в межах десятків відсотків по довжині смуги. Всі відхилення в заданому перетині можуть збігтися і підсумуватися, так що критичний струм окремих ділянок по довжині смуги відрізнятиметься на 30% і більше. Відповідно, при пропусканні струму зсуву послідовно через всі перетини смуги, необхідна робоча щільність в 95% від критичної буде досягнута лише в окремих (можливо і в одній) чутливих крапках: слабких ділянках смуги, що знижує фізичне заповнення майданчика надпровідного однофотонного детектора. Утворення меандра вимагає якісної літографії і ускладнює процес виробництва детектора. Завдання корисної моделі є підвищення чутливості, швидкодії і надійності надпровідного один фотонного детектора, при спрощенні його виготовлення і зменшені відбракування. Технічний результат досягається тим, що у надпровідному однофотонному детекторі, що містить діелектричну підкладку, на якій розміщений чутливий елемент, виконаний у вигляді надпровідної смуги, наприклад, з нітриду ніобію, підключеною до зовнішнього джерела струму зсуву, згідно корисної моделі, чутливий елемент додатково містить надпровідні смуги, при цьому всі смуги чутливого елементу розміщені між собою паралельно, із зазором менш ніж 200нм., кожна із смуг чутливого елементу виконана шириною менше 200нм., завтовшки менше 4нм., і приєднана до зовнішнього джерела струму зсуву паралельно, а суміжні смуги чутливого елементу між собою надпровідними містками. Корисна модель пояснюється кресленнями, де 40881 4 на Фіг.1 приведена схема пропонованого надпровідного однофотонного детектора. На Фіг.2 приведена схема спрацьовування при поглинанні фотона. На Фіг.3 приведена вольтамперна характеристика детектора. Пропонований детектор (Фіг.1) містить діелектричну підкладку 1, надпровідні смуги 2, контактні площадки 3, зовнішнє джерело 4 струму зсуву, місцеві пошкодження 5 смуг і надпровідні містки 6 між смугами. На діелектричній підкладці 1 (Фіг.1), розміщений чутливий елемент, виконаний із смуг 2, кожна шириною менше 200нм і товщиною менше 4нм (зокрема з нітриду ніобію). Смуги розміщені паралельно із зазорами менше 200нм, заповнюючи площу підкладки, і підключені паралельно через надпровідні площадки 3 до джерела 4 струму зсуву, а суміжні смуги чутливого елементу між собою з’єднані надпровідними містками. Запропонований детектор працює таким чином. Через смуги 2, що знаходяться в надпровідному стані, джерелом 4 поступово збільшують струм зсуву (Фіг.3, вертикальна стрілка), який починає розподілятися між смугами пропорційно їх індуктивностям, тобто не обов'язково рівномірно. Оскільки кожна із смуг має розкид параметрів по розмірах перетину і критичної щільності струму, то критичний стан буде спочатку досягнутий в найслабкішому перетину одній із смуг. При тепловідводе в підкладку і шунтуванням іншими надпровідними смугами, критична величина струму у вказаній смузі зберігатиметься, а подальше підвищення загального зсуву навантажуватиме інші смуги, по черзі доводячи їх до критичного стану. Поступово в стан дуже близький (вище 95%) до критичної щільності струму (Фіг.3, пунктирна горизонтальна лінія) дойдуть всі паралельні смуги (хоча, струм, що протікає через кожну смугу, може бути різним). При влученні випромінювання на якунебудь частину надпровідного однофотонного детектора (Фіг.2), смуги, що знаходяться в зоні дії світлової плями, перейдуть в резистивний стан, а їх струм зсуву перевантажить суміжні смуги, також викликаючи їх перехід в резистивний стан. Стрибкоподібний перехід всього чутливого елементу в резистивній стан появою на ньому імпульсу напруги (Фіг.3, горизонтальна стрілка) з коротким часом наростання (до 0,1нс). За рахунок тепловідводу і малої масивності надпровідний однофотонний детектор повернеться в надпровідний стан по лінії резистивного опору (Фіг.3, стрілка похила) буде навантажений струмом зсуву і готовий до прийому наступного фотона. Якщо в одній із смуг буде місцеве пошкодження 5, як ділянка істотного технологічного або експлуатаційного зниження критичних параметрів, то така смуга досягне критичного стану, необхідного для фіксації випромінювання, при струмі, істотно меншому, ніж в останніх смугах, що ніяк не позначиться на її роботі і ефективності надпровідного однофотонного детектора. Якщо в якійсь із смуг місцеве пошкодження 5 буде критичним, наприклад, тріщина, то така смуга автоматично вимк 5 неться із загального набору смуг, неістотно знижуючи загальну працездатність надпровідного однофотонного детектора. Наявність містків 6 (Фіг.1), що природно виникають між суміжними смугами тому числі за рахунок зменшення зазорів між смугами, здійснює додаткове місцеве шунтування слабких ділянок по довжині кожної смуги, що дозволяє збільшити число чутливих крапок по довжині кожній із смуг. При цьому якщо розрив смуги між двома містками, то він буде шунтований через ці містки суміжною смугою і останні частини смуги дефектом залишаться в робочому стані. Тому містки повинні витримувати струмове навантаження, порівнянне струмовим навантаженням смуг. Кількість містків по довжині смуг може бути неконтрольованим, що спрощує виготовлення надпровідного однофотонного детектора, або регулюватися при його створенні. Мінімальну відстань між сусідніми містками можна вибрати не менше відстані між смугами. Приклад конкретного виконання. На діелектричній підкладці з сапфіра розмірами 10×10мкм2 розміщено 60 паралельних смуг шириною 100нм. і товщиною 1нм. кожна, виконані з нітриду ніобію, із зазорами 50нм. між смугами, приєднаних паралельно кінцями до контактних площадок з того ж матеріалу, а через них до зовнішнього джерела струму зсуву. У зазорах між смугами розміщені містки, що з'єднують смуги, з інтервалом в 500нм., тобто до 20шт. на кожну пару суміжних смуг. Запропонований варіант порівнюється з такого ж розміру найбільш близькім аналогом (прототипом). За рахунок зменшення зазорів на 16% збільшується геометричний коефіцієнт заповнення. За рахунок збільшення числа смуг в 60 разів, в такій же пропорції збільшується кількість чутливих крапок і фізичний коефіцієнт заповнення навіть за відсутності містків. За рахунок використання містків між смугами кількість чутливих крапок на кожній смузі збільшується ще в 20 разів, що дозволяє підвищити коефіцієнт заповнення більш ніж на три. 40881 6 Збільшення розмірів чутливого елементу в плані на 16% при зниженні товщини в 4 рази дає зменшення його маси в 3 рази, при відповідному збільшенні чутливості і швидкодії. Зменшення довжини смуги в 25 разів і запаралелювання 60-ти смуг, відповідно знижують опір чутливого елементу а в 1500 разів, а зменшенні площі поперечного перетину відповідно збільшує цей опір в 8 разів, що знижує опору чутливого елементу у резистивному стані майже в 200 разів. Величина струму зсуву через окрему смугу зменшується пропорційно зменшенню її перетину в 8 разів, і в сумі для шістдесяти паралельних смуг зросте в сім разів, а вихідний сигнал детектора зменшиться з 500 до 20мВ, що достатньо для надійного виміру. Пропоноване технічне рішення дозволяє підвищити ефективність роботи надпровідного однофотонного детектора за рахунок зменшення його маси, установки струму зсуву більш ніж 0,95% від критичного (оскільки більшість смуг працюють фактично при 100% критичного струму) і збільшення числа чутливих крапок. Звернення на користь слабких місць і містків, як основних чинників відбракування відомого надпровідного однофотонного детектора, дозволяє зменшити перетин смуг і масивність надпровідного однофотонного детектора, зменшити зазори між смугами, збільшуючи геометричний коефіцієнт заповнення, підвищити чутливість і швидкодію надпровідного однофотонного детектора, спростити його виробництво і зменшити відбракування. Оскільки слабкі місця і містки можуть виникати при транспортуванні надпровідного одинфотонного детектора і при його експлуатації, то пропоноване технічне рішення дозволяє підвищити його надійність і в цих випадках. Пропонована корисна модель може знайти широке використання в області квантової електроніки, зокрема для індикації окремих фотонів у видимому і інфрачервоному діапазонах спектру. 7 Комп’ютерна верстка C.Литвиненко 40881 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601