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使用新型超导材料制成的辐射热测定器在更高的温度下工作
发布时间:2021-12-15 19:02:33 阅读:298

来源:荷兰空间研究所(SRON);电子科技大学红外毫米波与太赫兹研究院 宾泽川 编译

恒星图像
图片来源:NASA/JPL-Caltech/W. Reach (SSC/Caltech)

    超导热电子辐射热计(HEB)与参考振荡器相结合制成的接收器是超太赫兹天文学的主要研究工具,可以用来观测恒星的形成和星系的演化。目前使用较多的是氮化铌HEB,它只能工作在4K低温环境下,已经在太空望远镜和气球望远镜中有所使用。代尔夫特理工大学和查尔默斯大学的一组科学家最近展示了一种基于二硼化镁(MgB2)的HEB,这是一种新型的超导材料。该HEB不仅可以同时检测更多的光谱线,还可以工作在20开尔文温度下。这大大降低了航天仪器的成本、重量、体积和所需的电力。这项研究发表在《应用物理快报》上。

    超导氮化铌(NbN)热电子辐射热计(HEBs)是目前用于超太赫兹频段(1-6THz)高分辨率光谱测量最灵敏的外差分探测器,它利用一个本地振荡器将太赫兹线转换为吉赫兹线。在这个频率范围内,许多原子、粒子和分子的光谱线包含了星系中恒星形成的信息。

    超导材料的作用

    HEB的一个缺点是它的中频(IF)带宽有限,一次测量只能覆盖有限的谱线。另一个限制是其较低的工作温度(约4开尔文),这主要是由它的超导临界温度较低(8-10开尔文)造成的。考虑到质量、体积、电力和成本等方面的限制,对于太空观测器来说,无论是用装有液氦的容器还是用机械脉冲管,将温度降低到4开尔文都不是最理想的。

    由高建荣(SRON)率领的来自瑞典皇家科学院、代尔夫特理工大学、查尔姆斯理工大学和格罗宁根大学的科学家团队,最近展示了一种基于新型超导材料二硼化镁(MgB2)的HEB。在SRON进行测量和数据分析的Yuner Gan和在代尔夫特理工大学制作探测器的Behnam Mirzaei首次展示了该探测器在5.3太赫兹频率和约20开尔文工作温度下的低噪声性能。

    此外,Gan还测量了一个较大的IF带宽,大约是氮化铌HEB带宽的三倍。在一次测量中带宽越大可以覆盖越多的谱线,观测更高效、更准确。该MgB2薄膜由Chalmers大学研发,其超导临界温度为38.5开尔文。

    更高的工作温度

    由于紧凑、低质量、低能耗、空间限制的斯特林冷却器的应用,20开尔文的更高工作温度对于空间应用十分有吸引力,这可以大大降低空间仪器的成本和复杂性。因此,新的探测器为增加新的空间仪器和望远镜提供了机会,例如欧洲航天局2050航天计划中建议的M级远红外太空任务以及下一代太赫兹天文台,其中有许多望远镜将作为干涉仪在太空中运行。

 
 

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