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(fā)了可用于低溫環(huán)境的太赫茲標準黑體輻射源.采用太赫茲時域光譜系統(tǒng),提取了伯克利黑體材料的介電常數(shù),并測試了它的反射系數(shù).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(xiàn)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(fā)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(jiān)測氣候變化,如歐洲氣象衛(wèi)星應用組織開發(fā)的第二代氣象衛(wèi)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(jù)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(tài)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(tài)電感的變化實現(xiàn)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(xiàn)高靈敏的太赫茲探測.目前,量子電容探測器已經可以實現(xiàn)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(huán)境中,為了實現(xiàn)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(huán)境下的黑體輻射源對于開發(fā)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(huán)氧樹脂和羥基鐵粉混合物,它可以工作在150—405 K 環(huán)境中,在工作頻率530 —630 GHz 范圍內反射系數(shù)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(huán)氧樹脂、炭黑和碳化硅顆粒的混合物.通過調節(jié)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(fā)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(fā)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(xiàn)最大發(fā)射率.根據(jù)基爾霍夫輻射定律,高發(fā)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(yōu)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(xiàn)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(fā)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(shù)和反射系數(shù).之后,仿真了錐形黑體源的反射系數(shù),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(tǒng)

本文設計的錐形黑體輻射源結構如圖1(a)所示,幾何參數(shù)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(huán)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(huán)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(tǒng)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(tǒng)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(qū)的探測器上.在本系統(tǒng)中,屏蔽罩用于抑制熱輻射,避免制冷機內外以及不同溫區(qū)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(shù)和反射系數(shù)

黑體材料樣品制作流程如下: 將儲存在容器中的環(huán)氧樹脂加熱2—3 min,待環(huán)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(tǒng)(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(shù).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(shù)譜.根據(jù)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(shù).計算公式如下[21]:

圖2 黑體材料介電常數(shù)的表征 (a)THz-TDS 系統(tǒng)示意圖;(b)黑體材料的復介電常數(shù)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(shù)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(shù)可以表示為

測量得出的黑體材料復介電常數(shù)如圖2(b)和圖2(c)所示.材料復介電常數(shù)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(shù)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(shù),根據(jù)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(shù)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(qū)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(shù)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(shù)表征 (a)反射型THz-TDS 系統(tǒng)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(yōu)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(shù)作為仿真的材料輸入參數(shù),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(shù)如圖4(b)所示,在200—500 GHz 頻率范圍內反射系數(shù)可以達到—35 dB,這說明該黑體源具有較高的發(fā)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(jié),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(qū)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(shù),h為普朗克常數(shù),c為光速,kB為玻爾茲曼常數(shù),TBB是黑體源溫度.根據(jù)器件參數(shù)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(jié)范圍超過2 個量級.盡管如此,仍然難以滿足檢測器動態(tài)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(tài)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(tài)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(tài)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(jù)實驗需要設定黑體源溫度,并調節(jié)衰減片的衰減值,可以有效提升黑體輻射源功率的調節(jié)范圍.

5 結論

本文對伯克利黑體材料的電磁參數(shù)和反射系數(shù)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(shù)進行了仿真,結果表明輻射源在太赫茲頻段的反射系數(shù)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(fā)了溫控系統(tǒng)對該黑體源的太赫茲輻射功率進行調節(jié).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(fā)和應用具有一定的參考意義.