超导转变边缘传感器器件模型及其关键技术研究

With the development of TES, Tens to thousands of pixels have been fabricated and deployed in Astronomy telescopes, and we also have been already used the TES detector in the field of quantum information and single photon detection. As the scale of the detector array grows, the current research methods can not met the requirement of the development of the TES. With the long-term goal of making highly capable and integrated EDA tools that can support the design and simulation of the large scale of the TES detectors, we will develop new and accurate device models for TES based on the superfluid–normal fluid theory and give the feasibility of the scheme of TES rapid response by using the device model simulation. Finally, we also will research the behavioral of AC-biased TES circuits.

随着TES的快速发展，其应用范围已由天文观测推广到了量子信息、单光子探测等诸多领域，其应用规模也由单像素发展到了上万像素。但与TES发展速度相比，其研究技术手段却没有取得相应进步。如何满足随着阵列规模发展所带来的复杂电路设计和性能优化要求以及如何提高TES响应速度等都是亟待解决的科学问题。本项目从器件模型仿真入手，以超导二流体理论为基础，结合电子建模技术，建立能高度集成化且易于使用的TES器件模型，为TES大规模阵列电路设计和研究提供技术支持。同时以此器件模型仿真为基础，研究TES在交流电压偏置下的行为特征，并提出TES快速响应的可行性方案。

超导转变边缘探测器（TES）是近些年发展迅速的一种非相干热辐射探测技术，以超导相变区间内电阻对温度变化的超高灵敏度为工作原理，实现对微弱信号的测量，可用在毫米亚毫波、太赫兹、红外、可见光直到x射线等范围内进行电磁辐射信号的探测，目前已广泛应用于天文观测、量子信息及高能物理等领域，应用规模已经由单像素发展到了上万像素，拥有极其复杂的芯片和电路设计。本项目中，我们深入钻研TES建模和仿真技术，开展了TES电路仿真和电热行为预测，为TES大规模仿真和性能优化提供了基本仿真单元。基于格林函数，我们建立了TES芯片层次的电热仿真模型，相比其他热仿真分析方法，我们的模型能够更加全面反映TES的芯片制备材料、结构等因素对TES整体性能的影响，可以直接帮助设计人员对TES进行性能优化和电热行为估计。通过优化升级TES二流体模型，我们完成了交流偏置下TES性能分析和TES快速时间响应等关键技术的研究。首次理论上分析了交流偏置下TES行为，发展了交流偏置TES电路的仿真方法和工具，提供了可等效于直流偏置TES的分析方法。通过对TES芯片尺寸、热传导系数等参数的综合仿真，我们提出了TES快速响应的可行性方案，为其在单光子探测领域的应用拓展空间。通过本项目的实施，我们完全掌握了TES的建模和仿真分析方法，对TES电路仿真、性能优化等关键技术和发展做了自己的贡献，为今后更深层次的研究开创了良好局面。