用于太赫兹(THz)天文观测的超导跃迁边缘探测器(TES)研究

Superconductor transition edge sensors (TES) is a newly developed technology capable of ultra-sensitive astronomical terahertz imaging. It has been adopted in many new-generation telescopes and observatories in the world. Since China does not have this technology yet, research in this area is imperative for the future development of astronomical science in our country. In this project, we will study TES technology leveraging our previous research experience in this field. Our work will cover important topics in the forefront of TES research such as TES device modeling, TES circuit design, circuit parameter and bias setting optimization, and multiplexing technologies for TES imaging arrays. We will also fabricate and characterize TES devices, and explore experimental techniques to improve the quality of our devices. By carrying out our studies, we will gain thorough knowledge of the design, fabrication and characterization of TES devices and circuits. We will invent new design and simulation methods and techniques for TES imaging systems and arrays, and develop sophisticated EDA tools based on our own ideas. We will demonstrate TES device units with good electrothermal characteristics, and make a positive impact on the field of TES research through our creative work.

超导跃迁边缘(TES)探测器是近年发展起来的一种可用于太赫兹天文成像的极其灵敏的非相干辐射探测技术，目前已经广泛应用在国际上新一代的大型天文观测平台和项目中。由于我国目前尚未掌握这项技术，及时开展这方面的研究对我国未来天文科学事业的发展意义重大。在本项目中，我们将在前期工作的基础上，深入钻研TES器件的电子学建模、TES电路的设计、器件参数和电路偏置的优化、以及TES成像阵列的多路复用技术等当前TES探测器领域的前沿问题，并实际制备和表征TES器件，探索改善制备工艺，提高器件性能的技术要点和关键方法。通过本项目的实施，全面掌握TES器件和电路的设计、制备及表征技术，发展出具有自己思想的TES成像系统和阵列的设计仿真方法，开发出基于这些思想的大规模TES电路的EDA设计工具，对领域的发展产生积极的影响，并制备成功和实验演示具有优良热学电学性能的TES器件单元。

超导转变边缘探测器(TES)是近年发展起来的一种先进非相干辐射探测技术，其工作原理基于探测器在超导转变区间内的电阻对微弱辐射产生的热量高度敏感，可用于探测从毫米亚毫米波、太赫兹、红外、可见光，直到X射线广泛频域内的电磁辐射信号。由于其极高的灵敏度，在环境监控、天文观测、量子信息、高能物理等领域里有重要应用。就天文领域而言，它在科技发达国家已经实际应用于宇宙微波背景辐射涨落测量，以及对X射线源的观测，处于天文观测技术的最前沿。在本项目立项之前，我国TES的研究刚刚起步，因而本项目的实施对发展我国天文观测技术，追赶国际先进水平有积极意义。在本项目中，我们深入钻研并切实掌握了TES探测器的制备工艺、表征技术、测试方法，并且与清华大学微电子所合作，利用自己制备的器件和自主研制的测试系统在国内首次实验演示了TES探测器对模拟光信号的测量。我们还创造性地开展了TES探测器电路仿真和电热行为预测的研究，在领域内首次引入现代集成电路的设计方法和仿真工具用于TES器件的建模和电路的仿真，极大提高了TES行为预测的精确度和可靠性，使得通过仿真手段优化TES器件的参数选择和电路设计成为可能，并与意大利国家度量技术研究院合作，实验验证了我们研究结果的正确性。在对大规模TES探测器阵列至关重要的频域多路复用技术的研究方面，我们首次正确地分析了交流偏置TES电路的行为，纠正了以往研究结果中的错误和局限，发展了交流偏置TES电路的仿真方法和工具。通过本项目的实施，我们不仅完全掌握了TES探测器的制备和表征、测试技术，也通过创造性的工作，对TES探测器的优化方法、多路复用等重要技术的发展做出了自己原创性的贡献，从而为今后更深入的研究开创了良好的局面。