Отношение сигнала к шуму термоэлектрического однофотонного детектора с CeB6 сенсором и Bi-2223 поглотителем

Abstract

Представлены результаты моделирования процессов распространения тепла в многослойном детектирующем элементе однофотонного термоэлектрического детектора, состоящем из последовательно расположенных на сапфировой подложке (Al2O3) теплоотвода (Bi2223), термоэлектрического сенсора (CeB6), поглотителя (Bi2223) и просветляющего слоя (SiO2). Рассматривалась также конструкция детектирующего элемента без просветляющего слоя. Моделирование процессов передачи тепла поглощенного фотона проводилось на основе уравнения распространения тепла из ограниченного объема. Исследованы случаи поглощения фотонов с энергиями 0.8–1000 эВ в детектирующих элементах с поверхностью 4 и 1 мкм2, различной толщиной поглотителя и сенсора при фиксированной рабочей температуре детектора 9 К. Изучены временные зависимости возникающего на сенсоре электрического напряжения, эквивалентная мощность джонсоновского и фононного шума. Рассчитано отношение сигнала к шуму и предложены пути повышения этого параметра. Ներկայացված են ջերմության տարածման պրոցեսների մոդելավորման արդյունքները միաֆոտոն ջերմաէլեկտրական դետեկտորի բազմաշերտ դետեկտող տարրում, որը բաղկացած է ջերմատարից (Bi2223), ջերմաէլեկտրական տվիչից (CeB6), կլանիչից (Bi2223) և հակաանդրադարձնող շերտից (SiO2), որոնք հաջորդաբար դասավորված են շափյուղե (Al2O3) տակդիրի վրա։ Դիտարկվել է նաև առանց հակաանդրադարձնող շերտի դետեկտող տարրի կառուցվացքը: Կլանված ֆոտոնի ջերմափոխանակման գործընթացների մոդելավորումը իրականացվել է սահմանափակ ծավալից ջերմության տարածման հավասարման հիման վրա։ Ուսումնասիրված են 0․8– 1000 էՎ էներգիա ունեցող ֆոտոնների կլանման դեպքերը 4 և 1 մկմ2 մակերեսով, կլանիչի և սենսորի տարբեր հաստություններով դետեկտող տարրում դետեկտորի ֆիքսված 9 Կ աշխատանքային ջերմաստիճանում: Ազդանշան-աղմուկ հարաբերակցությունը հաշվարկված է և առաջարկվում են այս պարամետրը բարելավելու ուղիներ: The results of the simulation of heat propagation processes in the multilayer detection pixel of a single-photon thermoelectric detector consisting of heat sink (Bi-2223), thermoelectric sensor (CeB6), absorber (Bi-2223), and antireflection layer (SiO2) arranged in series on sapphire substrate (Al2O3) are presented. The design of the detection pixel without an antireflection layer is also considered. Simulation of the processes of absorbed photons heat transfer is carried out based on the equation of heat propagation from a limited volume. The cases of absorption of photons with energies of 0.8–1000 eV in detection pixels with a surface of 4 and 1 μm2, different thicknesses of absorber and sensor at a fixed operating temperature of the detector of 9 K are studied. Temporal dependences of voltage arising on the sensor, the equivalent power of Johnson and phonon noise are investigated, the signal-to-noise ratio is calculated, and the ways to increase this parameter are proposed.