GB/T 39722-2020 超导电子器件 传感器和探测器通用规范

ICS17.220,29.050

L85

中华人民共和国国家标准

GB/T39722-2020/IEC61788-22-1:2017

超导电子器件

传感器和探测器通用规范

Superconductingelectronicdevices一

Genericspecificationforsensorsanddetectors

(IEC61788-22-1:2017,Superconductivity-Part22-1:Superconducting

electronicdevices-Genericspecificationforsensorsanddetectors,IDT)

2020-12-14发布2021-07-01实施

国家市场监督管理总局Lg.-/;-

国家标准化管理委员会保叩

Gß/T39722-2020/IEC61788-22-1:2017

目次

前言…………………………皿

引言…………………………凹

1范围·

2规范性引用文件………

3术语和定义………

4符号………………………4

5术语和分类………………4

5.1术语…………………4

5.2分类

6低温工作条件……………8

7标记………………………8

7.1器件识别……………8

7.2包装…………………8

8测试和测量步骤…………………………8

附录AC资料性附录)相干探测

A.1超导热电子测辐射热计CSHEB)类型

A.2超导隧道结CSTJ)类型……………10

A.3超导量子干涉器件CSQUID)类型………………10

附录BC资料性附录)直接探测…………u

B.1金属磁热量计CMMC)类型………………………u

B.2微波动态电感CMKl)类型…………u

B.3超导带线CSS)类型………………u

B.4超导隧道结CSTJ)类型……………14

B.5转变边传感器CTES)类型…………15

附录CC规范性附录)设备和图表用图形符号…………17

C.1超导区域，单端超导连接…………17

C.2超导区域，单端常导连接…………17

C.3正常态-超导态边界………………17

C.4一种变形的连接形式………………17

C.5约瑟夫森结…………………………四

参考文献………………..................19

图A.1SHEB混频器………………………9

I

Gß/T39722-2020/IEC61788-22-1:2017

图A.2ST]混频器………………………10

图A.3直流SQUID……………………11

图B.1MMC探测器……………………12

图B.2MKI探测器………………………13

图B.3SS探测器…………………………14

图B.4ST]探测器………………………15

图B.5TES探测器………………………M

图C.1超导区域，单端超导连接…………17

图C.2超导区域，单端常导连接…………17

图C.3超导区域，一端超导连接和一端常导连接(正常态-超导态边界，

见IEC60417-6370:2016-09)……………………17

图C.4串联连接…………………………四

图C.5超导区域，两端超导由非常小的非超导区域连接(约瑟夫森结，

见IEC60417-6371:2016-09)……………………18

表1被测量…………………4

表2被测量的分类…………………………5

表3超导传感器和探测器命名法:类型、全称和英文缩写范例…………6

表4探测原理分类…………………………7

H

Gß/T39722-2020/IEC61788-22-1:2017

目。吕

本标准按照GB/T1.1-2009给出的规则起草。

本标准使用翻译法等同采用IEC61788-22-1:2017((超导电性第22-1部分:超导电子器件传感

器和探测器通用规范》。

与本标准中规范性引用的国际文件有一致性对应关系的我国文件如下:

GB/T2987电子管参数符号CIEC60027Callparts),NEQ)

一-GB/T2900.100-2017电工术语超导电性CIEC60050-815:2015,IDT)

一-GB3100-1993国际单位制及应用CISO1000:1992,EQV)

GB/T4728C所有部分)电气简图用图形符号[IEC60617J

一-GB/T5465C所有部分)电气设备用图形符号第1部分:概述与分类CIEC60417)

一-GB/T16273C所有部分)设备用图形符号第1部分:通用符号CISO7000)

本标准做了下列编辑性修改:

将标准名称修改为《超导电子器件传感器和探测器通用规范》。

一一在5.2下增加了一个注释对"相干检测"做出说明。

请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。

本标准由中国科学院提出。

本标准由全国超导标准化技术委员会CSAC/TC265)归口。

本标准起草单位:浙江赋同科技有限公司、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中国科学院

物理研究所、南京大学、南开大学。

本标准主要起草人:尤立星、李洁、张彩虹、张国峰、季鲁、杨晓燕。

囚

Gß/T39722-2020/IEC61788-22-1:2017

引

超导特性如超导能隙、窄超导态正常态转变、非线性电流电压曲线、超导相干态、磁通量子化等，

会受到电磁场、光子、离子等的影响。利用这些不同超导特性已研发出多种超导传感器和探测器。它们

在能量分辨、时间响应、噪声特性等方面具有其他非超导器件难以实现的极高性能。

"传感器"一词通常是指用来测量静态或缓变电磁场、电流和温度等物理量的器件或装置。而"探测

器"则通常是指对单量子状态进行观测和记录的装置，例如从红外到γ射线的光子、单粒子等。但是，

"传感器"与"探测器"之间的边界是模糊的。因此，在本文档中两个词都会用到。另外，将传感器用于探

测器也是可行的，例如将超导转变边传感器CTES)用于X射线探测器，通过测量由被测量能量累积导

致的温升实现探测。因此，在本标准中用术语"超导转变边传感器X射线探测器"来表示利用TES实

现X射线探测的器件或装置。

超导传感器和探测器已应用于很多领域，包括医学诊断、通讯、矿产勘测、天文仪器、量子信息处理

以及分析仪器等。对用户而言，目前缺乏统一的相关专业术语、图例符号和测试方法等的规范，因此很

有必要建立统一的标准化文件。

N

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超导电子器件

传感器和探测器通用规范

1范围

本标准给出了超导传感器和探测器的通用规范，这些是IEC61788其他部分中对各种类型传感器

和探测器的规范的基础。所述传感器和探测器主要由超导材料组成并依赖于超导或相关现象。被测目

标(物理量)包括磁场、电磁波、不同能量光子、电子、粒子、α粒子及其他。

2规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文

件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

IEC60027(所有部分)电子管参数符号(Lettersymbolstobeusedinelectricaltechnology)

IEC60050-815国际电工词汇第815部分:超导电性CInternationalElectrotechnicalVocabula

ry-Part815:Superconductivity)

IEC60417电气设备用图形符号[Graphicalsymbolsforuseonequipment(见:http://www.

graphicalsymbols)]

IEC60617电气简图用图形符号[Graphicalsymbolsfordiagrams(见:http://std.iec.ch/

iec60617)]

ISO1000国际单位制及应用(SIunitsandrecommendationsfortheuseoftheirmultiplesandof

certainotherunits)

ISO7000设备用图形符号收录符号[Graphicalsymbolsforuseonequipment-Registered

symbols(见:http://www.graphical-symbols.info)]

3术语和定义

IEC60050-815界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

以下是ISO和IEC维护的用于标准化工作的术语库网址。

•IEC电工百科:http://www.electropedia.org/

•ISO在线浏览平台:http://www./obp

3.1

附加正反馈additionalpositivefeedback;APF

利用电阻和SQUID环榈合线圈来提高电压磁通变换率的方法。

3.2

临界电流调制系数criticalcurrentmodulationparameter

卢L

对于直流SQUID，卢L=2LIj矶，其中L为SQUID的垫圈电感，1c为约瑟夫森结临界电流，φ。

是磁通量子;对于交流SQUID，卢L-2πLlj矶。

注:本系数也可称为"屏蔽系数"。

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3.3

回滞系数Stewart-McCumberparameter

卢c

卢c-2π1cRn2C/矶，其中Rn为约瑟夫森结正常态电阻，C是约瑟夫森结电容。

3.4

桥结bridgejunction

通过小截面超导桥连接两块超导体形成的结。

注:也可称作"微桥"。

3.5

临界电流criticalcurrent

Ic

在超导体或约瑟夫森结中，可视为几乎是无阻流动的最大直流电流。

注:改写IEC60050-815:2015，定义815-12-01

0

3.6

临界电流密度criticalcurrentdensity

Jc

临界电流除以流经超导体或约瑟夫森结的横截面积。

注:改写IEC60050-815:2015，定义815-12-03。

3.7

反馈线圄feedbackcoil

在磁通锁定环CFLL)模式下，与SQUID感性相合的线圈。

3.8

磁通锁定环fluxlockedloop;FLL

通过负反馈来保持SQUID环中的磁通量恒定来提高SQUID线性度和动态范围的方法。

3.9

梯度计gradiometer

相合到一个SQUID磁强计的超导环路结构或多个SQUID磁强计组成的结构，仅对梯度磁场敏感

或不对均匀磁场敏感。

3.10

金属磁热量探测器metallicmagneticcalorimetricdetector

一种通过检测金属吸收体磁化强度变化来测量其温升的超导器件，这种变化源于被测量导致的器

件能量累积。

3.11

微波动态电感探测器microwavekineticinductancedetector

一种检测超导带线微波表面阻抗变化的超导器件，这种变化源于被测量导致的器件能量累积。

3.12

正常态电阻normalstateresistance

处于正常态下的超导体或约瑟夫森结电阻。

注1:对于超导体或TES，该电阻对应略高于超导转变温度时的电阻。

注2:对于约瑟夫森结，该电阻对应于偏置电压远高于2，1/e时的隧道电阻。

3.13

平面梯度计planargradiometer

一种与SQUID祸合的磁通探测环路，用于测量与检测环路共平面的梯度磁场。

2

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3.14

准粒子quasiparticle

通过破坏超导体中库咱对而形成的具有电子和空穴融合性质的一种激发态。

3.15

超导热电子测辐射混频器superconductinghotelectronbolometricmixer

一种通过检测超导微桥电阻的变化来实现测量辐射能量的外差混频式超导器件，这种变化源于被

测量导致的器件能量累积。

3.16

超导量子干涉器件传感器superconductingquantuminterferencedevicesensor

SQUID传感器SQUIDsensor

一种利用包含一个或多个约瑟夫森结的闭环电路中的量子干涉效应的超导器件。

注:凡是能变换为穿过超导结构的磁通的被测量，例如磁场或电流，都可以利用SQUID进行探测。

3.17

SQUID阵列SQUIDarray;SQA

一种由多个SQUID以串联和/或并联阵列形式组成的器件。

3.18

纳米SQUIDnano-SQUID

最大环路尺寸一般不超过500nm的SQUID。

3.19

SQUID环SQUIDring

包含一个或多个约瑟夫森结的多重超导结构。

注:也可称作"SQUIDloop"。

3.20

SQUID放大器SQUIDamplifier

利用单个SQUID、SQUID阵列或其他基于SQUID的电流传感器电路组成的电流-电压转换器。

3.21

亚能隙区域subgapregion

位于隧道结I-V回滞曲线的底部分支上，该区域电压小于2，6。

3.22

亚能隙电流subgapcurrent

隧道结在亚能隙区域的准粒子隧穿电流。

注:在约瑟夫森隧道结中，当直流约瑟夫森效应被平行于结平面的磁场压制时能够观测到完整的亚能隙区域。

3.23

超导带线探测器superconductingstripdetector

一种检测长超导带线中的局域电阻变化的超导器件，这种变化源于被测量导致的器件能量累积。

注1:对于光子探测器，多数情况下不推荐使用"超导纳米线光子探测器"的名字，是因为超导体的尺寸与当前IS0/

TS80004-2:2015中对于"纳米线Cnanowire)"的定义不一致，其中"纳米线"或"纳米纤维"被定义为具有两个

外部纳米维度的物体，约从1nm到100nm，而第三个维度明显更大。多数情况下，超导带的尺寸满足"纳米

缎"或"纳米带"的定义。

注2:"纳米缎Cnanoribbon)"或"纳米带Cnanotape)"仅有一个外部维度在纳米尺度，另外两个外部维度则要大得多

(通常3倍以上)。另外，这两个大的维度也互不相同。"纳米带线Cnanostrip)"比"纳米缎"和"纳米带"更适合

超导传感器和探测器。

洼3:超导纳米线的例子:10nmX30nmX10μm。其中厚度和宽度的差别在3倍以下的超导体可以称为"超导纳

米线光子探测器"。

3

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3.24

起导隧道结探测器superconductingtunneljunctiondetector

一种检测两块被势垒层隔开的超导体或超导体和正常导体之间隧穿电流的变化的超导器件，这种

变化源于被测量导致的器件能量累积。

注:改写IEC60050-815:2015，定义815-16-54。

3.25

温度灵敏度temperaturesensitivity

超导转变边斜率，由dlnR/dlnT来定义。其中R、T分别为TES的电阻和温度。

3.26

超导转变边传感探测器transitionedgesensordetector

一种通过检测陡峭的超导态正常态电阻变化来测量温升的器件，这种变化源于被测量导致的器件

能量累积。

注:改写IEC60050-815:2015，定义815-16-53

0

4符号

单位、图形和字母符号应来自以下标准:

•IEC60027(所有部分);

•IEC60417;

•IEC60617;

•ISO1000;

•ISO7000。

设备和图表使用的图形符号，例如超导区、正常连接、超导连接、正常-超导边界、约瑟夫森结等，在

附录C，IEC60417和IEC60617中做出了定义。而对于特定使用在其他传感器或探测器的图形符号在

IEC61788的其他部分做出了定义。

5术语和分类

5.1术语

表1列出了引起能量累积而能被超导传感器和探测器感应或探测出来的被测量，包括测量种类、测

量对象和物理量。按照测试种类英文字母顺序排列，分别是:原子和分子、基本粒子、物理量和辐射。表

中的每一个词条不仅代表被测量本身，还表示其时间或空间的分布。

凡本标准中涉及到的某器件特有的任何专业术语都应采自相关的国际电工委员会(IEC)或国际标

准化组织CISO)标准。

表1被测量

测量种类测量对象物理量

原子

计数、能量、通量、时间

有机分子

计数、能量、通量、时间

原子和分子

无机分子

计数、能量、通量、时间

其他(指定)

4

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表1(续)

测量种类测量对象物理量

暗物质

计数、能量、通量、时间

电子

计数、能量、通量、时间

中微子

计数、能量、通量、时间

中子

计数、能量、通量、时间

基本粒子

光子

计数、能量、通量、时间

质子计数、能量、通量、时间

正电子

计数、能量、通量、时间

其他(指定)

电容

*画值

电流

*画值

电感幅值

磁场强度，分布

磁通量密度，分布

物理量

i幅值

磁化率

极化强度

幅值

幅值

电阻

电压

*画值

其他(指定)

α-粒子

计数、能量、通量

ß-粒子计数、能量、通量

i幅值

电磁波

γ射线

辐射

计数、能量、通量

光学辐射

计数、能量、通量

x-射线计数、能量、通量

其他(指定)

表2中将被测量分为两大类:一类是场和物理量、一类是粒子。基于此分类，探测机制可分为对场

和物理量的相干探测以及对粒子的直接探测。

表2被测量的分类