超导转变边缘感应器的电热行为和优化方法研究

Superconductor transition-edge sensors (TES) is an advanced radiation detection technology developed in recent years. It has important applications in many scientific and instrumental fields such as astronomy, quantum information, defense, security, and space exploration. In this project, we will carry out fundamental electronics research that is closely related to the latest development at the forefront of the TES technology. Specifically, we will study problems that are critical for analysis of multiplexing circuits at the heart of large-scale TES sensor arrays and optimization of high energy-resolution sensors which represent the future of optical detection. Our topics include full-chip thermal simulation of TES circuits, complex multi-objective optimization of TES systems, and analysis and simulation techniques for AC-biased TES circuits. By introducing new concepts and developing new methods and tools, we will systematically investigate the complicated electrothermal processes in TES devices and study how they depend on circuit design and parameter selection, the result of which will provide crucial guidelines for the design and optimization of new TES sensors and circuits. We will also fabricate high-quality TES samples and test them in low-temperature and low-noise environment, for the purpose of verifying the accuracy of the results of our analysis and simulation. By applying the results we derived and the tools we developed in practice, we can help realize TES optical detectors with excellent energy resolution.

超导转变边缘感应器（TES）是一种近年发展起来的先进灵敏辐射探测技术，在天文观测、量子信息、国防安全、航天事业等领域里有重要应用。在本项目中，我们将针对当前超导TES感应器的前沿发展趋势，研究和大规模TES成像阵列多路复用电路以及高能量分辨率TES感应器系统直接相关的超导电子学基础学术问题，包括TES电路的全芯片细致热传导过程计算，TES感应器系统的多目标复杂优化，以及交流偏置TES电路的分析和仿真方法。通过引入新的电路概念、发展新的分析方法和研究工具，我们将系统深入地探究TES器件中的复杂电热过程与电路设计和参数选择的关系，为新一代TES感应器的设计和优化提供指导。我们还将制备高质量的TES感应器样品，在低温和低噪声环境中进行测试，实验验证我们的分析方法和仿真结果的正确性和精确度。把我们在电子学基础问题研究中获得的成果和发展的工具应用到实践中，帮助实现有出色能量分辨率的TES光子探测器。

超导转变边缘感应器(TES)是一种先进的灵敏辐射探测技术，因为其极高的能量分辨率在高能物理、量子信息、天文观测、物性表征、反恐安全等诸多科研和技术领域里有重要应用。在本项目中，我们对TES的电热行为、转变机制等重要电子学课题进行了深入研究，并在此基础上探讨了TES器件的参数设计原则和性能优化方法。我们制备表征了多种材料、结构、尺寸，具有优良电热性能的器件，完善了其制备技术和测试技巧。我们引入新的分析方法实现了TES器件的全芯片电热行为仿真，可用于观察不同热导机制对TES器件特性的影响，并根据器件的材料性质和几何结构预言其等效热导参数，突破了传统的幂方热导近似的局限。在TES器件超导转变机制的研究中，针对已知方法不能探测样品上的非均匀性的缺陷，我们设计提出了新的测量技巧，并实验验证了其可行性和可靠性，为揭示TES转变的确切机制提供了有力工具。在本项目中发展的新方法和新工具有助于我们更深入细致地理解TES器件的电热行为，从而为其响应特性和噪声表现等关键性能的优化改善提供可靠依据和可行途径，帮助实现高性能的TES器件和系统。