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Magnicon产品在带半球形后短的超灵敏角耦合过渡边传感器远红外波长计的光学性能（Optical performance of an ultra-sensitive horn-coupled transition-edge-sensor bolometer with hemispherical backshort in the far infrared）的应用介绍： 通过测量吸收辐射导致的传感元件加热来工作的热探测器构成了天文学家可用的最通用和最敏感探测器的基础。当与适当的辐射耦合方案结合时，它们可以被设计用于检测从毫米波段到X射线的光。对于红外辐射和更长波长的辐射，热探测器用于测量入射辐射的强度。在这种模式下，它们被称为热电探测器。在较短的波长下，它们用于检测单个光子并测量它们的能量，在这种模式下，它们被称为量热计。 热辐射计由吸收器、温度计和一个弱热连接组成，该连接的热导率是G，连接到温度为Tbath的热浴中。辐射的吸收导致吸收器的温度上升，然后以时间常数τth = C/G衰减，其中C是热辐射计的热容量。 过渡边缘传感器（TES）是一种广泛用于热敏电阻的温度传感器。 TES由一层超导薄膜组成，薄膜上施加恒定电压。这种电压偏置导致电流通过薄膜，使其加热，从而处于正常状态和超导状态之间的过渡区域。在转变过程中，薄膜的电阻随温度增加而增加，因此，如果TES是电压偏置的，我们就在薄膜中耗散的焦耳功率和温度之间得到了负的电热反馈。为了看到这种负电热反馈是如何发生的，假设薄膜的温度升高。那么它的电阻将会增加。因为薄膜是电压偏置的，这种电阻的增加导致电流减少，因此焦耳加热减少，使薄膜的温度下降。相反，如果薄膜的电阻下降，焦耳加热将会增加，使薄膜变热。这意味着在电压偏置下，偏置点对温度扰动是稳定的。负电热反馈还使响应线性化，抑制了约翰逊噪声，并缩短了设备的时间常数，使得探测器的有效时间常数τef比热时间常数τth短。热敏电阻的灵敏度由噪声等效功率（NEP）表征，这是导致信噪比为1的功率加载。在暗条件下测量的NEP，即没有入射光功率时，称为暗NEP（NEPdark）。为了最大化探测器的灵敏度，NEP必须尽可能低。极限是热敏电阻中的热涨落噪声（或声子噪声），NEPphonon = √4√kTc/2G，其中√是一个介于0.5和1之间的因子，它考虑了与热浴之间的热梯度。然而，在实践中，将NEP最小化和其他参数（如功率处理和τef）的优化之间将存在权衡，以适应应用。为了高灵敏度地检测入射光，必须高效地将入射辐射耦合到探测器。考虑到光学效率η，探测器对入射辐射的灵敏度在零吸收光功率的极限下是NEPoptical = NEPdark/η。对于有限的光功率，入射辐射的光子散粒噪声将被添加到探测器的固有噪声中。为了最大灵敏度，探测器的固有噪声应该与背景辐射的光子散粒噪声相比很小。在这篇论文中，我们展示了一种具有超低暗NEP的热敏电阻，结合了高效的光学耦合方案，形成了一个在30-60微米波长带中对光高度敏感的探测器。高光学效率对于实现高灵敏度的光学探测器至关重要。 本文描述的探测器是作为拟议中的空间天文台SPICA上的SAFARI仪器的原型开发的，该仪器将使用一个大型（直径2.5米）的主镜冷却至≤8K，以观测中远红外波段的寒冷尘埃宇宙4,5。SAFARI仪器是一个远红外光谱仪，它将使我们能够研究包括红移高达z=3及更远的星系在内的各种天体的动力学和化学。SAFARI有三个探测器阵列，覆盖波长范围34-60微米（短波）、60-110微米（中波）和110-210微米（长波），总共有约3200个热电偶探测器。探测器是使用Ti/Au超导双层的过渡边缘传感器（TES）热电偶探测器，它们安装在薄的、热隔离的硅氮化物岛上。入射辐射被一层7纳米厚的Ta膜吸收。为了利用SPICA的低背景冷镜的优势，并满足灵敏度要求，SAFARI的探测器需要NEPdark ≤ 2×10−19 W/√Hz，同时光学效率要大于50%。 为了达到足够低的声子噪声以满足NEPdark的要求，SAFARI的TES探测器的转变温度Tc约为100 mK，并且在Tbath ≈ 50 mK的浴温下运行。为了高光学效率，探测器使用馈源和背反射器将光耦合到吸收膜上。SAFARI的探测器比之前为地面应用开发的典型TES热电堆探测器灵敏度高出两个数量级，它们的饱和功率相应较低（几飞瓦）。测试如此敏感的探测器具有挑战性，需要仔细注意磁性和射频屏蔽、排除杂散光以及振动隔离。TES和其SQUID读出装置对磁场高度敏感。杂散光排除尤为重要，因为如果入射功率足够高，以至于将TES的超导薄膜驱动到正常状态，TES探测器将会饱和并变得不敏感。我们已经建立了一个测试设施，将用于在将SAFARI焦平面单元和读出装置集成到仪器之前对它们进行资格认证和特性描述。除了对背景和干扰的严格要求外，我们还要求这个设施具有灵活性和可重新配置性，以便我们可以使用它进行从单个像素到整个焦平面阵列的暗光和光学测试。通过一系列逐步改进的系统性计划，我们提高了SAFARI探测器测试设施的性能，现在它正在用于对原型SAFARI探测器进行常规测量。 在这篇论文中，我们描述了原型探测器及其耦合方案，并说明了我们如何优化测试设施以进行光学测量。我们使用这个测试设施来表征探测器，其暗噪声等效功率低至6 × 10−19 W/√Hz，饱和功率低于10飞瓦，接近SAFARI飞行探测器的要求。我们展示了我们对原型探测器在30-60微米波段的暗噪声等效功率为2 × 10−18 W/√Hz的光学效率的测量结果，并说明了我们如何使用空间模式滤波技术来解释我们的结果。在这个波长范围内，远红外波段的玻罗计已经得到了表征10,11，尽管其灵敏度比本文描述的探测器低两个数量级。这些SAFARI原型探测器的初步测量是在卡迪夫大学的测试设施中进行的12。在英国剑桥，已经对SAFARI长波段（110-210微米）的原型探测器进行了光学测量，其暗噪声等效功率约为7 × 10−19 W/√Hz13。 其他小组基于不同的探测器技术报告了在这个灵敏度范围内的远红外探测器的光学测量，但波长更长。例如，关于在650 GHz的超灵敏热电子玻罗计的光学测量，其光学噪声等效功率为3 × 10−19 W/√Hz14,15，以及在1.54 THz的动能感应探测器的测量，其光学噪声等效功率为3.8 × 10−19 W/√Hz16。
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