[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

说明书

本发明公开了一种超导纳米线单光子探测器电热过程仿真方法，包括如下步骤：步骤1：超导纳米单光子热模型构建，步骤2：超导纳米单光子电模型构建，步骤3：超导纳米单光子的电热仿真，步骤4：超导纳米单光子的热模型方程求解，步骤5：超导纳米单光子的电模型方程求解，步骤6：基本条件的确定，步骤7：分析电路元件参数对响应时间的影响。本发明通过对超导纳米单光子热模型和电模型的综合探索，积极有效的构建简约型的热电微分方程，不仅求解方式简单，而且整体构建逻辑清除，方便理解和验证，大大的缩短了操作时间，并且在后期方便对响应时间进行较为精确的检测。

技术领域

本发明涉及超导技术领域，尤其涉及一种超导纳米线单光子探测器电热过程仿真方法。

背景技术

光是与人类日常生命活动密切相关的信息的主要载体之一。将光转换成电信号对于理解其固有特性并更好地利用它是至关重要的。随着大量的工作致力于开发新的光子探测方法，探测极限已经发展到单个光子的水平。在过去的几十年里，许多有足够灵敏度的技术已经迅速发展到在室温下具备探测少个光子甚至单个光子的能力，并且也不需要复杂的读出电路。超导体的能隙(meV)比半导体能隙(eV)低三个数量级，且工作在超低温的制冷环境下，基于超导体的单光子探测器在探测灵敏度、信噪比和响应速度等方面具有无与伦比的优势

超导纳米线单光子探测器能够探测单个电子，已经成为当今应用热点，为了分析超导纳米单光子探测器的探测机理和厘清超导纳米单光子探测器的光子响应机制，需要建立超导纳米单光子探测器的电热探测模型，但是电热模型的响应时间精度较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种超导纳米线单光子探测器电热过程仿真方法，解决了超导纳米单光子探测器电热探测模型响应时间精度较低的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种超导纳米线单光子探测器电热过程仿真方法，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。

进一步地，本发明的所述步骤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。

进一步地，本发明的所述步骤1中，热模型方程为：