E DIN EN IEC 61788-22-3 (VDE 0390-22-3):2020-08

Supraleitfähigkeit -

Teil 22-3: Supraleitender Streifen-Photonendetektor - Dunkelzählrate (IEC 90/446/CD:2019); Text Deutsch und Englisch

Die Normen des Teils 22 der Internationalen Normenreihe IEC 61788 "Superconductivity" legen internationale Normen für supraleitende elektronische Bauelemente fest. Der physikalische Effekt der Supraleitfähigkeit ermöglicht die höchstempfindliche Messung oder Detektion einer Reihe von verschiedenen Messgrößen. Die IEC-Norm IEC 61788 22 1 beschreibt verschiedene Typen supraleitender Sensoren und Detektoren. Einer davon ist der supraleitende Streifendetektor.
Eine typische Grundstruktur eines Streifendetektors ist ein mäanderförmiger Streifen eines Supraleiters, der zum Beispiel eine Dicke von weniger als 10 nm, eine Breite von weniger als einigen 100 nm sowie eine Länge von 1 mm besitzt. Dies ist eine Struktur im Nanomaßstab. In der Norm ISO/TS 80004 2:2015 "Nanotechnologies - Vocabulary - Part 2: Nano-objects" wird der nanoskalige Bereich oder Nanomaßstab als Längenbereich von ungefähr 1 nm bis 100 nm festgelegt. Da ein Nanoobjekt dadurch charakterisiert ist, dass es mindestens ein Außenmaß im nanoskaligen Bereich besitzt, gehören die supraleitenden Mäanderstrukturen zur Kategorie der Nanoobjekte.
Die für supraleitende Mäanderstrukturen häufig verwendete Benennung "Nanodraht" (en: nanowire) wird in dieser Norm nicht empfohlen. Im ISO-Wörterbuch wird ein Nanodraht als elektrisch leitende oder halbleitende Nanofaser definiert, wobei eine Nanofaser zwei Außenmaße in Nanomaßstab und ein signifikant größeres drittes Außenmaß besitzt. Der signifikante Faktor, um den sich zwei Außenmaße unterscheiden, ist dabei typischerweise größer als 3. Wenn die ersten zwei Außenmaße sich signifikant unterscheiden, wären die Benennungen „Nanoplättchen“ (en: nano plate) bzw. "Nanoband" (en: nanoribbon, nanotape) für die Mäan¬derstrukturen zu verwenden. Allerdings sind diese Benennungen im Fachbereich der Elektronik nicht gebräuchlich. Abgesehen von der Problematik dieser ISO-Definition, nach der manche der supraleitenden Strukturen noch als Nanodraht bezeichnet werden könnten (z.B. bei einer Dicke von 5 nm und einer Breite von 15 nm), unterscheiden sich diese aber auch im Formfaktor von üblichen Drähten mit rundem Querschnitt. Aus diesem Grund werden in IEC 61788-22-1 die Benennungen "Streifen" bzw. "Nanostreifen" festgelegt für Supraleiter der Form von Mäanderlinien. Gemäß dieser Norm wird der Detektor dann als Supraleitender Streifen-Photonendetektor (SSPD, en. superconducting strip photon detector) oder Supraleitender Nanostreifen-Photonendetektor (SNSPD, en. superconducting nano strip photon detector) bezeichnet. In der vorliegenden Norm wird die Abkürzung SSPD verwendet.
Typische Anwendungsgebiete für SSPD sind die Quanteninformatik, Laserkommunikation, LIDAR (en. light detection and ranging) sowie die Fluoreszenzspektroskopie. SSPD erreichen dabei bessere Leistungsparameter als herkömmliche Einzelphotonendetektoren, wie Sekundärelektronenvervielfacher (SEV) oder Avalanche-Fotodioden. Wegen der steigenden Nachfrage nach höchstempfindlicher Detektion von Photonen im Frequenzbereich des sichtbaren Lichts bis hin zum mittleren Infrarot begründen die SSPD einen schnell wachsenden Markt. Die Normierung der SSPD ist aber nicht nur für industrielle Anwendungen von Nutzen, sondern auch für die Weiterentwicklung dieser Detektoren.
Bei der Detektion gibt es eine Reihe grundlegender Kenngrößen wie den Nachweiswirkungsgrad, die Schwankungen des Schaltzeitpunktes (en: timing jitter) und die Dunkelzählrate (en: dark count rate). Da die Dunkelzählrate auch Einfluss auf die Messung anderer Kenngrößen hat, wird sie hier mit Priorität behandelt. Natürlich werden standardisierte Messmethoden auch für die Bestimmung der anderen Kenngrößen benötigt. Diese festzulegen ist für die Zukunft geplant.
Ein Dunkelzählereignis (en. dark count) ist dabei ein Zählereignis, welches ein Messgerät ohne Anliegen eines Eingangssignals aufzeichnet. Die Dunkelzählrate (en. dark count rate) gibt die Anzahl der Dunkelzählereignisse je Zeiteinheit an.
Dieser Teil 61788-22-3 der Internationalen Normenreihe IEC 61788 ist anwendbar für die Messung der Dunkelzählrate (en. dark count rate, DCR, RD) von supraleitenden Streifen-Photonendetektoren (SSPD, en. superconducting strip photon detector). Für die Photonendetektion sollte mindestens ein Außenmaß einer supraleitenden Linearstruktur im nanoskaligen Bereich liegen. Ein Beispiel wäre eine Streifenstruktur mit einer Dicke von 5 nm, einer Breite von 100 nm und einer Länge von 0,5 mm, die als einfache Mäanderstruktur mit einem Linienraster von 100 nm eine aktive Detektorfläche von 100 m2 bedeckt.
Diese Norm legt Begriffe, Definitionen, Symbole sowie die Messmethode für die Dunkelzählrate DCR in Abhängigkeit des Betriebsstroms (Ib), der Betriebstemperatur (T) sowie der Standard-Messunsicherheit fest. Die DCR besteht aus zwei Bestandteilen: Zum einen aus der durch Wärmestrahlung der Optik und Streustrahlung verursachten Hintergrund-DCR (RDb), die unabhängig von Ib ist, sowie zum anderen aus der intrinsischen DCR (RDi), welche durch spontanes Auftreten resistiver Bereiche in einem supraleitenden Streifen entsteht, und die im Bereich hohen Betriebsstroms (Ib) nahe am kritischen Strom (Isw) (en. switch current) vorherrschend ist.