TES探测器结构的电热耦合仿真

周俊杰1, 张翼飞1, 刘舟慧1, 路雪峰1
1中国科学院高能物理研究所(IHEP)
发布日期 2024

超导转变边沿探测器(Transition edge sensor,TES)利用超导薄膜电阻对温度的高灵敏响应关系来精确测量光子能量。在TES探测器设计开发中,当前主要采用小信号原理,通过线性近似方式来建立探测器输出脉冲与各参数之间的关系,该方法无法分析探测器尺寸效应、信号饱和等情况,且无法处理更加复杂的结构,这限制了TES探测器技术的发展。 在本研究中利用COMSOL Mutiphysics®软件进行TES吸收体与超导薄膜传热分布,与电信号反馈的仿真。首先,利用COMSOL固体传热模块进行对TES器件进行传热物理场的建模。然后利用AC/DC中的电路模块对TES的偏置电路进行建模。利用上述物理场进行TES超导薄膜与氮化硅梁架间的温度场分布与电信号反馈的研究。该仿真预期得到器件施加脉冲后电热信号反馈,其中包括温度场随时间的分布、瞬态下电流信号的反馈(系统弛豫时间)、超导薄膜的电阻变化等。最终仿真结果获得了在稳态下对器件施加等价于5.9keV光子能量的热脉冲的温度场分布,如图(a)和(b)所示,可以看到吸收体与超导薄膜在在极短时间(<1us)内等温,同时考察了能量为2keV与5.9keV的单光子入射的电信号反馈图,如(c)和(d)所示。该研究通过仿真TES的电热特性得到了TES的热分布与电信号反馈情况这使得我们将来可以对TES探测器开展更加精细、复杂的设计。