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不同形状的防辐射屏自发辐射至探测器的功率如图 2所示。其中台柱面防辐射屏给出了R′/R=0(圆椎面)、R′/R=1(圆柱面)和R′/R=0.5(普通台柱面)进行示意。可以看到,所有形状的防辐射屏底面半径R相同时,其自发辐射至探测器的功率均随防辐射屏高度的增加而先减小后增大,且最大值趋于常数πr2M,即最大值只与探测器尺寸有关;最小值出现在防辐射屏高度与底面半径接近(抛物面、双曲面、普通台柱面)或相等(半椭球面、圆柱面、圆椎面)时,其中椭球面、圆柱面、圆椎面自发辐射的最小值有解析式。半椭球面防辐射屏自发辐射至探测器的最小值(此时半椭球面即为半球面)见(17) 式。
圆柱面防辐射屏自发辐射至探测器的最小值为:
圆椎面防辐射屏自发辐射至探测器的最小值为:
在相同的D/R下,圆柱面防辐射屏辐射至探测器的功率比其它形状防辐射屏的都大,其它形状防辐射屏的辐射功率大小则互有交叉。抛物面和双曲面防辐射屏辐射至探测器的功率在D/R较小时几乎相等,但随着D/R的增大,双曲面表现出更小的辐射功率。
对于普通台柱面防辐射屏,底面半径R相同时,其最小辐射功率随顶部半径R′的变化而不同。不同R′/R的台柱形防辐射屏的最小辐射功率如图 3所示,图中也示出了其它几种形状防辐射屏的辐射最小值进行直观对比。可见台柱面防辐射屏底面半径不变时,其对探测器的自发辐射功率最小值随着顶部半径的增大(即台柱面逐渐从圆椎面逐渐变为圆柱面)先减小后增大,但自发辐射最小值(位于R′/R=0.38处)仍然比球面防辐射屏的最小值大,也大于椭球面和双曲面的辐射最小值。
因此,在所有形状的防辐射屏中,半球面防辐射屏自发辐射至探测器的功率最小,且与防辐射屏尺寸无关;其次为抛物面和双曲面,然后为台柱面,最大辐射功率为圆柱面防辐射屏。因此在实际应用中,将防辐射屏尽量设计为半球面,能最大程度减小其自发辐射对探测器的影响。
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以上讨论均为防辐射屏未开孔的情况,实际上为了从外部向探测器引入光、热等信号,还需要在防辐射屏顶部进行开孔。作者所设计的防辐射屏模型,开孔只需调整积分下限即可得到剩余部分对探测器的辐射功率。为减化讨论,这里只给出防辐射屏高度和底面半径相等、且未开孔辐射功率最小的防辐射屏开孔时的情况(其中台柱面防辐射屏上下端半径比为R′/R=0.38);开孔形状采用圆形,开孔半径为Rh(Rh < R)。
不同形状防辐射屏顶部开不同尺寸孔后,剩余部分自发辐射至探测器的功率如图 4所示。可以看到,不同形状的防辐射屏在开孔尺寸相同时,圆柱面防辐射屏自发辐射至探测器的功率为所有形状中最大;抛物面和双曲面自发辐射至探测器的功率则始终几乎相等。开孔半径与底面半径之比为Rh/R < 0.27时,所有防辐射屏中自发辐射至探测器的功率最小的形状为半球面。而实际上对于超低温、单光子探测等应用,需要利用防辐射屏尽可能屏蔽环境杂散光,开孔尺寸会远小于该值,因此,前面对于半球面防辐射屏自发辐射至探测器的功率最小的结论仍然适用。
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以上讨论的均是不同形状防辐射屏自发辐射至探测器的相对功率,为了进一步对比防辐射屏形状优化对超导单光子探测器自发辐射的切实改善情况,作者代入实际参数进行验证。不同形状防辐射屏在不同温度下单位时间自发辐射至探测器的光子数为:
式中,P(λ)为防辐射屏自发辐射波长为λ的光至探测器的功率。假设防辐射屏内屏发射率η=0.1,探测器光敏区半径为r=25μm,则防辐射屏高度和底面半径相等时(对于台柱面,取上下端半径比R′/R=0.38),在3μm~12μm中远红外波段,不同形状防辐射屏在不同温度下单位时间自发辐射至探测器的光子数如表 1所示。
shape of the shield temperature of the shield T/K 60 70 80 90 hemisphere 1.213×104 2.507×105 2.484×106 1.505×107 paraboloid 1.229×104 2.539×105 2.517×106 1.525×107 hyperboloid 1.230×104 2.541×105 2.518×106 1.526×107 cone frustum 1.263×104 2.611×105 2.588×106 1.568×107 cone 1.292×104 2.671×105 2.647×106 1.604×107 cylinder 1.421×104 2.937×105 2.910×106 1.763×107 Table 1. Photon emission rate spontaneously radiated to the detector by di-fferent shapes of shields at different temperatures /Hz
可见半球面防辐射屏自发辐射至探测器的中远红外光子数明显少于其它形状防辐射屏。以70K温度为例,此时半球面防辐射屏单位时间辐射至探测器的中远红外光子数比仅次于它的抛物面防辐射屏少3.2kHz,更是比常用的圆柱面防辐射屏少43kHz。防辐射屏温度更高和表面发射率更大时,采用半球面防辐射屏减少的自发辐射光子数会更加显著。
综上所述,通过优化防辐射屏形状,能够明显减小防辐射屏自发辐射至探测器的光子数,从而减小由此引起的单光子探测器的伪计数率,提高探测器信噪比和灵敏度等性能。