[发明专利]一种超导纳米线单光子探测器电热过程仿真方法

权利要求书

1.一种超导纳米线单光子探测器电热过程仿真方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：构建超导纳米单光子热模型方程：超导纳米线单光子探测器工作时被偏置在低于其超导临界电流的位置，吸收层采用超导薄膜材料制备成的纳米线蜿蜒型的曲折结构，当吸收光子后，纳米线吸收区域的超导状态被破坏，形成电阻态热点，热点区域在流经的电流焦耳热的协同作用下扩大到一定范围，然后由于纳米线自身的热传导以及向基底的散热，热点区域逐渐减小直至消失，纳米线恢复到初始超导状态，由此构建热模型方程；

步骤2：构建超导纳米单光子电模型方程：超导纳米线看作一个电感与时变电阻串联接入读出电路中，由此构建等效电路微分方程；

步骤3：超导纳米单光子的电热仿真：超导纳米线吸收入射光子后，形成阻区，以此为初始状态，求出下一时间步长的温度分布，进而算出纳米线上的临界电流密度分布，比较温度与临界温度，以及电流密度与临界电流密度，确定纳米线的状态，更新电阻率分布求出电阻值，再将电阻带入电路微分方程中，求出下一时刻的电流；

步骤4：根据下一时间步长的温度与当前温度的关系对超导纳米单光子的热模型方程进行求解；

步骤5：超导纳米单光子的电模型方程求解：电路微分方程基于龙格-库塔法求解，得到求解的初值；

步骤6：基本条件的确定：根据求解的初值，确定初始条件和边界条件，包括：临界电流、电阻率、比热容、热导率和热交换系数；

步骤7：根据得到的基本条件，分析电路元件参数对响应时间的影响；

所述步骤1中，热模型方程为：

其中，为单位时间、单位体积内流出的热量，为单位时间、单位体积内产生的热量，ρ为纳米线上微元的密度，c_p为纳米线上微元的定压比热容，为单位体积、单位时间内的温升；

所述步骤2中，等效电路微分方程为：

其中，I_bias表示偏置电流；I是超导纳米线上的电流，L_k为纳米线的动态电感，计算中取为定值，R_n为纳米线随时间变化的电阻值，C_bt为读出电路的耦合电容，Z₀为读出电路的负载；

所述步骤4中，求解方程的方法为：

下一时间步长的温度与当前温度的关系如下：

其中，τ、h分别为时间步长和空间步长，κ表示纳米线热导率、表示n+1时刻i+1位置纳米线的温度、c表示纳米线电容、J²ρ表示电流在阻态区域形成的热量，时间步长τ＝1ps，空间步长h＝1nm，利用n时刻的温度分布来求解n+1时刻的温度分布；

所述步骤5中，对电模型方程求解的方法为：

电路微分方程基于龙格-库塔法求解，即当解的变化小于一定阈值时采用较大的步长；当解的变化大于一定阈值时步长会自动地变小，将电路方程改写为：

其中，Uc表示纳米线电容两端的电压。

2.根据权利要求1所述的超导纳米线单光子探测器电热过程仿真方法，其特征在于，所述步骤1中，超导光导电子探测器包括超导边缘转变探测器、超导隧道结、超导动态电感探测器和超导热电子辐射热计。

3.根据权利要求1所述的超导纳米线单光子探测器电热过程仿真方法，其特征在于，所述步骤6中，确定的初始条件和边界条件为：

初始值为偏置电流，为16.7μA，然后由于电阻值快速增大，纳米线中的电流开始快速下降，在307ps时达到最小值3.487μA，之后缓慢上升；纳米线两端电压随时间的变化情况为，电压则先快速上升，同样在307ps时达到最大值0.66mV，然后缓慢下降；纳米线中阻态区域先不断增大，188ps时电阻达到最大值，为5.2kΩ，307ps时阻值变为0。

4.根据权利要求1所述的超导纳米线单光子探测器电热过程仿真方法，其特征在于，所述步骤7中，分析电路元件参数对响应时间的影响的方法为：

光子入射后，由于Sidewalk效应的存在，宽度方向被阻态贯通需要一定的时间，时间大小会受到入射光子的能量、入射位置的因素影响，在阻态能够贯通宽度方向的情况下，能量越大、入射位置越靠近纳米线中心点，所需要的贯通时间越小，对于波长较长的光子，其不对称性和偏离高斯形状的程度越大。