用于超導太赫茲探測器的低溫標準黑體輻射源*

吳曼瑾 姚柏志 石粒力 陳本紋 吳敬波2)? 張彩虹2) 金飚兵2) 陳健2) 吳培亨

1)(南京大學電子科學與工程學院,超導電子學研究所,南京 210023)

2)(紫金山實驗室,南京 211111)

針對太赫茲超導探測器的測試需求,開發了可用于低溫環境的太赫茲標準黑體輻射源.采用太赫茲時域光譜系統,提取了伯克利黑體材料的介電常數,并測試了它的反射系數.另外,設計了圓錐形結構的黑體輻射源,仿真結果表明它具有較低的反射率.在此基礎上,制備了裝載于稀釋制冷機中的黑體輻射源,通過控制溫度實現對黑體源輻射功率的調諧.這一黑體輻射源能夠滿足太赫茲超導探測器的定標需求,并將有助于高靈敏太赫茲輻射計的開發和應用.

1 引言

太赫茲輻射計廣泛應用于射電天文、遙感和氣象探測等領域.在射電天文研究中,太赫茲輻射計被大量用于地基和星載天文觀測裝置,如木星冰月探測器(JUICE)[1]、阿塔卡馬大型毫米/亞毫米波天線陣等[2].在氣象探測領域,輻射計可用于監測氣候變化,如歐洲氣象衛星應用組織開發的第二代氣象衛星(Metop-SG)搭載了微波探測儀和冰云成像儀[3].超導太赫茲探測器由于具有極高的靈敏度,被廣泛應用于太赫茲輻射計中.根據物理機理的不同,主要分為以下幾類: 測熱輻射計是利用太赫茲吸收引起電阻的變化,包括轉變邊緣結檢測器[4,5]和熱電子測熱輻射儀[6,7]等;超導動態電感探測器[4,8]是利用入射光子拆散超導電子對,引起超導薄膜動態電感的變化實現高靈敏的探測;量子電容探測器[9,10]是利用超導電子對破壞后產生準粒子并引起量子電容的變化來實現高靈敏的太赫茲探測.目前,量子電容探測器已經可以實現太赫茲單光子的探測[11],并有望用于下一代太赫茲天文望遠鏡的成像陣列.

太赫茲輻射計的定標需要一個輸出功率精確可控的輻射源,輸出功率的偏差直接影響輻射測量的精度[12-14].在太赫茲頻段,通常采用黑體輻射源作為定標光源[15,16].超導太赫茲探測器需要工作在低溫環境中,為了實現檢測器的表征,需要低溫工作、功率可調的太赫茲輻射源作為測試光源.因此,研制工作于低溫環境下的黑體輻射源對于開發太赫茲超導探測器至關重要.低溫黑體輻射源已在諸多國際天文探測項目中有所應用.如在歐洲航天局的JUICE 項目中,輻射計采用的是圓錐形低溫黑體作為校準目標[17],該黑體由錐形鋁外殼和絕緣安裝支架組成,吸收層材料為環氧樹脂和羥基鐵粉混合物,它可以工作在150—405 K 環境中,在工作頻率530 —630 GHz 范圍內反射系數均低于—59 dB.目前國內關于低溫黑體的研究較少.近來,紫金山天文臺史生才院士課題組[18]在超導太赫茲探測器的研究中,采用了一種平板形低溫黑體輻射源用于檢測器表征.該黑體源制備在直徑70 mm的金屬板上,黑體材料為環氧樹脂、炭黑和碳化硅顆粒的混合物.通過調節溫度,在1.4 THz 的輻射功率范圍為10—21—10—14W.

理想黑體源的發射率為1,為使黑體源接近理想情況,需要盡可能地提高黑體輻射源的發射率.黑體輻射源一般通過吸波涂層以及錐形、金字塔形等結構實現最大發射率.根據基爾霍夫輻射定律,高發射率的黑體源同時具有高吸收率.制備寬頻帶、寬溫度范圍內的黑體輻射源,首要解決的問題是尋找具有高損耗的涂層材料,如炭黑顆粒、羥基鐵粉等;其次是設計優化輻射源的幾何結構,使得入射波盡可能多次反射在吸收層上.目前,圓錐形黑體空腔已被證明能夠實現較低的反射率,在半錐角為10°時可以提供小于—40 dB 的反射率[19].相比于楔形目標,圓錐結構的高度對稱性使其發射率與偏振無關.

為了滿足超導太赫茲探測器的定標需求,本文設計了可在低溫工作的錐形黑體輻射源.為了表征黑體涂層材料的性能,測試了伯克利黑體材料的太赫茲介電常數和反射系數.之后,仿真了錐形黑體源的反射系數,并制作用于稀釋制冷機的黑體輻射源.

2 太赫茲探測器用黑體輻射源的結構和系統

本文設計的錐形黑體輻射源結構如圖1(a)所示,幾何參數為r=20.0 mm,l=94.0 mm,?=12°.黑體輻射源內部涂覆厚度為2.0 mm 的吸收層.吸收層采用的是Bock 公司提出的一種屬于伯克利黑體的非磁性吸波材料.伯克利黑體的配比為: 68%環氧樹脂(Stycast 2850 FT)、5%催化劑(Catalyst 24 LV)、5%炭黑和22%玻璃微珠(直徑180 μm)[20].環氧樹脂和催化劑用于固化摻雜炭黑的混合物,并使其在低溫下不易開裂.玻璃微珠用于增加表面粗糙度,減少入射波在涂層表面的直接反射,從而增強吸收.炭黑是由球形納米級顆粒組成的鏈狀結構,它具有較高的電損耗,均勻分散在混合物中可以有效地吸收入射電磁波.

圖1 (a)黑體輻射源的結構示意圖;(b)包含黑體輻射源的太赫茲探測器低溫測試系統示意圖Fig.1.(a)Schematic diagram of the structure of the blackbody radiation source;(b)schematic diagram of the cryogenic terahertz detector test system including the blackbody radiation source.

制備的黑體輻射源放置于圖1(b)所示的稀釋制冷機低溫系統中,并通過低熱導的不銹鋼螺母與4 K 盤連接.黑體源輻射的電磁波通過導光管中的紅外濾波片(Windows-TPX-D38.1-T2)和三個同型號的太赫茲帶通濾波片(BPF 0.4 THz-47 Tydex),并在硅透鏡的聚焦下輻射到底部mK 溫區的探測器上.在本系統中,屏蔽罩用于抑制熱輻射,避免制冷機內外以及不同溫區之間熱量交換.屏蔽罩上留有20 mm 孔徑的小孔安裝導光管,導光管用于導引黑體源輻射的太赫茲波,太赫茲帶通濾波片和紅外濾波片用于濾除工作頻帶之外的輻射信號.

3 黑體涂層材料的電磁參數和反射系數

黑體材料樣品制作流程如下: 將儲存在容器中的環氧樹脂加熱2—3 min,待環氧樹脂融化后取出并放置在混合容器中加熱至40—50 ℃,加熱時間為10 min.之后,加入催化劑混合,等待3 min后,加入炭黑及玻璃微珠并混合.待混合物光滑無結塊后,將其澆筑進含有矩形孔的銅片中,在室溫下放置6 h 直至固化.制備的黑體樣品尺寸為23.0 mm× 10.0 mm× 2.0 mm.

采用圖2(a)所示的太赫茲時域光譜系統(THz-TDS)對制備的黑體樣品進行表征,并提取黑體材料的電磁參數.將樣品放置在太赫茲波束的焦點位置,并測試有無樣品時太赫茲透射脈沖信號.之后,將測得的時域信號進行傅里葉變換,從而得到樣品的復傳輸系數譜.根據不同頻率下的傳輸幅度A(ω)和相位φ(ω),提取樣品的復折射率n=n— jκ,其中n為復折射率的實部,κ為復折射率的虛部,即消光系數.計算公式如下[21]:

圖2 黑體材料介電常數的表征 (a)THz-TDS 系統示意圖;(b)黑體材料的復介電常數實部與頻率的關系,左下角插圖為填充黑體材料的矩形孔銅片樣品照片;(c)黑體材料復介電常數虛部與頻率的關系Fig.2.Permittivity of blackbody materials: (a)Schematic diagram of the THz-TDS system;(b)real part of permittivity for blackbody material versus frequency,the inset in the lower left corner is a photo of the copper sheet with a rectangular hole filled with blackbody material;(c)imaginary part of permittivity for blackbody material versus frequency.

其中,ω是角頻率,d是待測樣品厚度.對于非磁性材料,復介電常數可以表示為

測量得出的黑體材料復介電常數如圖2(b)和圖2(c)所示.材料復介電常數的虛部表征了材料對電磁波的損耗.如圖2(c)所示,測得的材料介電常數虛部在200—500 GHz 范圍內均大于1.5,高于文獻[19]中報道的吸波材料.這表明本文制作的黑體材料對太赫茲波具有較高的損耗.

黑體涂層材料具有極高的吸收系數,根據能量守恒定理,它有極低的反射率.因此,反射率可以作為驗證材料是否符合黑體要求的指標.利用圖3(a)所示的反射型THz-TDS,對平面黑體樣品的反射系數進行測試.樣品制作在直徑為5.0 cm 的圓形銅板上,伯克利黑體材料的厚度為2.0 mm.采用接觸式輪廓儀對樣品中心2.5 mm× 3.5 mm區域 (position1 處)進行表面粗糙度表征,結果如圖3(c)所示,表面均方根粗糙度Rq≈ 11.24 μm.盡管玻璃微珠的加入使得表面粗糙度增加,但測試結果表明樣品表面的粗糙度依然遠小于測試波長.

利用THz-TDS 對樣品上兩處位置的反射系數進行測試,測試結果如圖3(d)所示.實際測得的反射率在200—500 GHz 頻率范圍內均小于—17 dB,接近—20 dB 的期望值.這一結果表明該黑體材料對電磁波具有較強的吸收能力,適合作為錐形黑體源的吸波涂層材料.

圖3 黑體材料反射系數表征 (a)反射型THz-TDS 系統示意圖;(b)平面黑體涂層材料樣品,1,2 分別表示測試位置;(c)樣品表面粗糙度;(d)不同位置的反射系數Fig.3.Reflectance characterization of blackbody materials: (a)Schematic diagram of the reflective THz-TDS system;(b)flat blackbody sample,1 and 2 indicate the two test positions;(c)surface roughness of the sample;(d)reflectance at different positions.

4 圓錐形黑體源仿真與輻射功率計算

圓錐形黑體的幾何光學模型如圖4(a)所示,假設入射光線平行于錐軸入射,在吸收層上每一次反彈的入射角由αi表示,αi=90 — (2i— 1)?,i=1,2,3 ···M,反彈次數M=180/(2?),與半錐角有關.我們制作的黑體輻射源半錐角?=12o,對應的反彈次數M=7.入射波在吸收涂層上多次反射,每次反射都將穿入厚度為2.0 mm 的損耗材料,從而產生較高的衰減.錐形黑體的背襯材料為金屬材料,對入射波無透射.

圖4 (a)圓錐形黑體源光學模型;(b)圓錐形黑體源反射系數仿真結果Fig.4.(a)Optical model of conical blackbody source;(b)simulated reflectance of conical blackbody source.

通過對黑體源反射率進行仿真,可以判斷黑體源接近理想黑體源的程度.常見的錐形黑體目標反射率的仿真方法有旋轉體矩量法(BoR-MoM)、有限元法(FEM)和射線追蹤法[22].FEM是基于體積計算的方法,仿真大尺寸模型時,其網格單元數量和所需內存較大,對計算資源的要求較高.BoRMoM 法利用物體旋轉對稱性,雖然適合研究錐形黑體,但對于200—500 GHz 頻率內的仿真仍然非常耗時.綜合考慮,本文采用了較為簡單快捷的射線追蹤法.盡管射線追蹤法忽略了錐形開口處的邊緣效應和錐尖處的近場效應,給反射率計算結果帶來一定的誤差,但該方法的優勢在于耗時少、計算成本低.文獻[22]中給出的實例表明,射線追蹤法與BoR-MoM 法具有一致性,在800 GHz 時兩種方法得出的反射率僅相差0.7 dB.

用COMSOL 軟件的射線追蹤法對設計的錐形黑體源進行建模和仿真.將前文表征的材料電磁參數作為仿真的材料輸入參數,模型尺寸如前所述,仿真頻率段設置為200—500 GHz.由于模型尺寸較大,通過對稱處理減少計算資源.仿真得到的圓錐黑體源反射系數如圖4(b)所示,在200—500 GHz 頻率范圍內反射系數可以達到—35 dB,這說明該黑體源具有較高的發射率,可以滿足對探測器進行表征實驗的要求.

制備的黑體輻射源實物如圖5(a)所示,錐體結構采用了厚度約6.0 mm 的鋁材,錐體開口端兩側的凸起用于纏繞加熱絲和固定溫度傳感器,內部涂抹厚度約2.0 mm 的吸波涂層.將黑體輻射源與4 K 平臺連接,通過控制加熱絲、溫度傳感器和溫控儀,黑體輻射源可在4—40 K 溫度范圍內進行調節,從而對輻射功率進行控制.黑體源輻射通過置于Still 屏蔽層(溫度約為0.7 K)內的導光管和一系列濾波片入射到位于mK 溫區的探測器上.

圖5 (a)制備的黑體輻射源照片;(b)200—500 GHz 黑體輻射功率隨溫度的變化關系Fig.5.(a)Image of a prepared blackbody source;(b)variation of blackbody power with temperature in the 200—500 GHz range.

入射到探測器上的輻射功率P表達式為[11]

其中,εmesh為探測器的吸收效率,ΩM為探測器接收輻射立體角,AA為孔徑面積,fh和fl為頻率積分上下限,T(f)為濾波片的透射系數,h為普朗克常數,c為光速,kB為玻爾茲曼常數,TBB是黑體源溫度.根據器件參數和幾何結構,εmesh=0.45,ΩM=0.25,AA=3.6× 10—5π(m2).fh和fl由所選帶通濾波片的中心頻率確定,單層帶通濾波片的帶寬為10%,傳輸率為90%.假設3 個相同的帶通濾波片堆疊后,總透過率T(f)為 0.73.采用(4)式,計算了不同頻率下輻射到探測器上的功率隨黑體源溫度變化關系,如圖5(b)所示.工作頻率為200—500 GHz,黑體源溫度從4 K 升到40 K,其輻射功率變化范圍為10—12—10—9W.工作頻率越高,輻射功率的調諧范圍越大.在0.5 THz,4 K 溫度下最小輻射功率為2.13× 10—12W.

通過改變溫度,輻射功率的調節范圍超過2 個量級.盡管如此,仍然難以滿足檢測器動態范圍測試的需求.目前,半導體量子點探測器等太赫茲單光子探測器的動態范圍在3 個量級以上,因此黑體輻射源的功率可調范圍要超過其動態范圍[23].未來的太空天文、氣象觀測等領域對太赫茲探測器動態范圍的需求愈來愈高,相應地,黑體輻射源可調功率范圍也需要進一步增大.為了提高黑體源輻射功率的調控范圍,一是提高黑體輻射源的溫度范圍,由(4)式可知,黑體源的輻射功率與溫度密切相關,通過提高黑體溫度的變化范圍可以增大輻射功率的調控范圍;二是在光路中加入可調衰減片,根據實驗需要設定黑體源溫度,并調節衰減片的衰減值,可以有效提升黑體輻射源功率的調節范圍.

5 結論

本文對伯克利黑體材料的電磁參數和反射系數進行了測試分析,獲得滿足黑體輻射源需求的涂層材料.基于射線追蹤法,對錐形黑體輻射源在太赫茲頻段的反射系數進行了仿真,結果表明輻射源在太赫茲頻段的反射系數達到—35 dB.基于這些結果,制備了裝載在稀釋制冷機中的黑體輻射源,并開發了溫控系統對該黑體源的太赫茲輻射功率進行調節.上述結果表明,本文設計的低溫黑體輻射源可以滿足超導太赫茲探測器的定標需求.這一工作對于高靈敏超導太赫茲探測器的設計開發和應用具有一定的參考意義.