 |
|
使用多像素超导探测器的测量仪器 (a) 无复用 (b) 复用 (c) 超导探测器和复用芯片的安装模块；整体冷却至-273摄氏度。
|
国立产业技术综合研究所［中钵良二会长］（以下简称“AIST”）纳米电子研究部[Tetsuji Yasuda，研究部主任]超导测量信号处理组Hiroki Yamamori，研究组组长，Fuminori Hirayama，首席研究员，Akira Kamishiro，研究组，与东京大学[校长Makoto Gonokami]（以下简称“东京”）核能工学部研究生院，Masashi Ohno副教授，Hiroyuki Takahashi教授超导性在探测器方面，我们开发了一种技术，可以将超过 1000 个像素的信号（比传统信号多五倍）放置在一条读出线上。
超导探测器能够精确测量单个光子和粒子的能量以及弱电磁波的强度，并用于对来自太空的弱电磁波进行长期、精确的观测，但缩短测量时间所必需的大量像素的发展却被推迟了。主要原因是低温多像素探测器与室温处理设备之间的连接读出线上的像素数是有限的。增加读出线的数量以增加像素的数量会增加流经读出线的热量，需要更强的冷却系统，这会导致整个测量仪器的体积、功耗和价格增加。新开发的技术并行操作多个室温信号处理设备，将所有像素的信息转换为每个室温处理设备的不同频带，并将信息全部传输到单个读出线上。可安装的像素数量急剧增加并使用超导探测器分析电子显微镜，辐射光谱仪，光子显微镜等测量时间，并减小尺寸、功耗和成本。
该技术的详细信息已于2018年2月1日（当地时间）发表在学术期刊上超导科学与技术
 |
|
图1超导探测器的像素数量与从室温到低温的热量流入之间的关系
|
超导探测器使用低频磁场，毫米波来自X 射线/伽马射线的电磁波和高能粒子噪音低，在室温下运行半导体它的性能优于检测器等。脑磁图、心磁图仪，用于分析电子显微镜、天文观测接收器等。但受光面积比室温探测器小两到三个数量级；检测效率低 2-3 个数量级。因此，扫描少量像素时成像，通常比室温检测器长大约两个数量级。为了解决这些问题，需要增加探测器的像素数量。然而，为了实时读出高速信号，通过增加连接放置在极低温下的多像素检测器和室温下的信号处理装置的导线数量并将它们并联连接来增加像素数，从而增加了流经导线的热量（图1：虚线a）。因此，低温制冷机需要加强（更大或更多），更大的探测器系统增加了功耗和价格。此外，超导性通过将多个像素信号转换为每个像素的不同频率并在极低的温度下复用它们来减少布线数量。频率复用读出电路也进行了研究，但利用传统技术很难将像素数增加到每行1000个或更多。然而，如果超导探测器能够收集1000个像素，那么它将能够拥有与市售半导体探测器相当的光接收面积，并且与相同的测量时间相比，它能够实现远超优越的光谱性能。例如，这有望实现高物质识别能力和高吞吐量（单位时间的数据处理能力），这是材料评估分析仪的创新目标。
AIST和东京大学正在共同致力于用通用部件处理超导探测器的输出频率微波炉
这项研究和开发是该计划的一部分，并得到了日本学术振兴会科学研究补助金 A（2015 财年-2015 财年）的支持。
 |
|
图2微波频段频率复用电路信息量与水量对比示意图：(a)传统型(b)新型
|
在微波频段频率复用读出电路中，将超导探测器输出的低频提升到小型设备中容易处理低噪声的微波频段，然后将频率提高，经过一些信号处理和放大后，返回到低频，在室温处理设备中进行信号处理。如图2示意性所示，在传统的微波频段频率复用读出电路（图2（a））中，室温处理设备的限制限制了可以复用的像素数量。为了消除这一限制，低频和微波之间转换的标准频率（通常是单一的）现在被设置为每个室温处理设备的单独值。由于它被转换为具有宽频带的电信号，通过为每个频带并联多个室温处理装置，现在可以用单个读出线处理来自所有像素的信号。
新型多重读出电路的具体结构如图1所示。图2(b)所示。 3、该读出电路由图中中央矩形虚线包围的低温电路和低温电路外部的多个(N)个室温处理装置组成。常温处理设备安装N件任意波形发生器每个组生成 M 个不同类型的低频信号，并且每个信号上变频器分组转换为微波。此外，在连接到超导探测器的超导复用芯片中，根据来自每个像素的信号的幅度来计算这N×M种微波信号的幅度和频率调制让它发生吧。这种两级复用允许来自所有像素的所有信号转换为不同频率的微波信号，因此微波信号可以通过一根导线引入低温电路，并且可以使用一根读出线将所有信号取出到室温。提取的信号被发送至常温处理设备组。降频转换器群组和AD转换器该小组将其转换为低频数字信号并将其导入计算机。室温处理设备之间的信号干扰是该方法的最初问题，可以通过使用一组具有选定频率特性的滤波器来防止。结果，我们在世界上首次揭示了可以减少低频和微波之间的频率转换中相邻参考频率之间的间隔，并增加一条读出线上复用的像素数量。此外，作为该方法的原型，我们制作了最基本的测试设备，包括安装在一个低温冷却装置上的低温电路、两个室温信号处理装置以及连接它们的接线。我们确认它正常工作，并且还确认它可以消除噪声，这对于读出电路很重要。像素间串扰与传统方法一样好。
 |
| 图3新开发的微波频段频率复用读出电路的配置 |
使用传统的多路复用方法，大约1000个像素信号需要三个或更多相同类型的低温制冷机（图1：虚线b和虚线d的比较）。然而，通过将这种复用方法应用于数百像素规模的超导探测器、超导复用芯片、通用微波组件和一台市售小型低温制冷机（三相200 V，功耗7 kW，大致尺寸：宽40 cm x 深30 cm x 高60 cm），获得了在一条读出线上进行复用的前景（图1：实线c和虚线d的比较）。
图4总结了这项关于多读出电路的研究的特点和进展，预计这些研究将有助于超导探测器的推广，同时利用其特性。图 4(a) 显示了超导探测器（蓝色）和半导体探测器（红色）的输出（探测到的光子数量）与放射性材料发射的每个光子的能量（特定于辐射源材料的值）的关系。图4（b）显示了辐射测量过程中材料识别（成分、功能）的不确定度与测量时间之间的关系，图4（c）显示了通过应用该技术可以实现的超导探测器低温冷却设备的简化，图4（d）显示了超导探测器的应用示例，通过应用该技术可以减少测量时间并减小尺寸和功耗。新开发的读出电路预计将利用超导探测器优异的材料识别能力（图4（a）），同时有助于通过增加像素数量来缩短测量时间（图4（b）），并使测量仪器更小，功耗更低且更便宜（图4（c））。
 |
| 图 4 开发新的多重读出技术，利用超导探测器的特性并有助于其泛化 |
我们将实际演示新开发的读出电路与多像素超导探测器相结合的操作。例如，光子显微镜 (2017 年 4 月 5 日 AIST 新闻稿)，成像时间可以减少到1/100。