АСТРОФИЗИЧЕСКИЙ БЮЛЛЕТЕНЬ, 2025, том 80, № 3, страницы 523–539
СИНИС-ДЕТЕКТОРЫ СУБТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА КАК ОСНОВА ПРИЕМНИКА ДЛЯ РАДИОАСТРОНОМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА ОПТИЧЕСКОМ ТЕЛЕСКОПЕ БТА САО РАН
© 2025
М. А. Тарасов1*, А. А. Гунбина1**, А. М. Чекушкин1, М. А. Маркина1, Р. А. Юсупов1, М. Ю. Фоминский1, Л. В. Филиппенко1, В. С. Эдельман2, В. Ф. Вдовин3,4, В. А. Столяров4, И. И. Зинченко3, А. М. Красильников3,4, А. С. Марухно3,4, М. А. Мансфельд3,4, Д. Е. Кукушкин4,5, Д. А. Сазоненко4, О. С. Большаков3, А. Б. Ермаков1, И. В. Леснов3, А. Ф. Валеев4
1Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, Москва, 125009 Россия
2Институт физических проблем им. П. Л. Капицы РАН, Москва, 119334 Россия
3Институт прикладной физики им. А. В. Гапонова-Грехова Российской академии наук, Нижний Новгород, 603950 Россия
4Специальная астрофизическая обсерватория Российской академии наук, Нижний Архыз, 369167 Россия
5Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101 Россия
*E-mail: tarasov@hitech.cplire.ru
**E-mail: aleksandragunbina@mail.ru
2Институт физических проблем им. П. Л. Капицы РАН, Москва, 119334 Россия
3Институт прикладной физики им. А. В. Гапонова-Грехова Российской академии наук, Нижний Новгород, 603950 Россия
4Специальная астрофизическая обсерватория Российской академии наук, Нижний Архыз, 369167 Россия
5Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101 Россия
*E-mail: tarasov@hitech.cplire.ru
**E-mail: aleksandragunbina@mail.ru
УДК [520.2(470.631)+535.8]:520.8.056
Поступила в редакцию 26 ноября 2024 года; после доработки 3 апреля 2025 года; принята к публикации 6 июня 2025 года
Для наземной астрономии существуют задачи для сверхвысокочувствительных приемников, как для когерентных супергетеродинных, так и для некогерентных, потенциально имеющих более высокую чувствительность. Оба типа приемников основаны на сверхпроводниковых либо охлаждаемых полупроводниковых материалах. В качестве сверхпроводникового некогерентного приемника рассмотрена возможность применения детектора на основе структуры СИНИС (сверхпроводник–изолятор–нормальный металл–изолятор–сверхпроводник). Проведена оценка предельных параметров таких детекторов в зависимости от материала сверхпроводника, рабочей температуры, режима детектирования. В условиях умеренного охлаждения субкельвинного уровня до 0.28 К отклик алюминиевой СИНИС-структуры может достигать 108 ВВт−1 и мощность эквивалентного шума МЭШ = 10−17 Вт Гц−1/2. В случае ниобиевых СИНИС при 4.2 К, по нашим оценкам, МЭШ = 1.6 × 10−16 Вт Гц−1/2, что также может представлять интерес для ряда практических задач. В САО РАН реализуется проект по разработке прототипа отечественной субтерагерцовой обсерватории в составе оптического телескопа, в рамках которого предполагается установка в фокус Несмита оптического телескопа БТА субтерагерцового (субТГц) СИНИС-приемника. В работе представлен обзор возможных вариантов и техническое предложение СИНИС-приемника, учитывающего особенности используемой оптической зеркальной системы телескопа и окружающего его пространства, а также специфику возможных научных задач.
Ключевые слова:
приборы: адаптивная оптика — субмиллиметровая астрономия — телескопы
ФинансированиеСписок литературы
Исследования основной концепции (СИНИС-детекторы, считывающая электроника, система криостатирования и корректирующая оптика) выполнены при финансовой поддержке гранта № 23-62-10013 РНФ (https://rscf.ru/project/23-62-10013/).
Разработка структур Nb–AlOx–Al и МДМДМ-детекторов выполнена за счет проекта № 075-15-2024-482 Министерства науки и высшего образования РФ.
Список литературы
Разработка структур Nb–AlOx–Al и МДМДМ-детекторов выполнена за счет проекта № 075-15-2024-482 Министерства науки и высшего образования РФ.
1. S. Ariyoshi, T. Taino, A. Dobroiu, et al., Applied Physics Letters 95 (19), id. 193504 (2009). DOI:10.1063/1.3263711
2. S. Ariyoshi, K. Takahashi, T. Noguchi, et al., Superconductor Science and Technology 25 (7), article id. 075011 (2012). DOI:10.1088/0953-2048/25/7/075011
3. J. W. M. Baars, The Paraboloidal Reflector Antenna in Radio Astronomy and Communication (Springer, Berlin, 2007). DOI:10.1007/978-0-387-69734-5
4. Y. Balega, G. Bubnov, A. Chekushkin, et al., Sensors 24 (2), id. 359 (2024). DOI:10.3390/s24020359
5. J. Bueno, V. Murugesan, K. Karatsu, et al., Journal of Low Temperature Physics 193, 96 (2018). DOI:10.1007/s10909-018-1962-8
6. Y. Chai, S. Shu, Y. Li, et al., Journal of Low Temperature Physics 214 (3), 210 (2024). DOI:10.1007/s10909-023-03040-7
7. I. A. Devyatov, P. A. Krutitskiĭ, and M. Yu. Kupriyanov, JETP Letters 84, 57 (2006). DOI:10.1134/S0021364006140037
8. J. Du, K. Smart, L. Li, et al., Superconductor Science and Technology 28 (8), article id. 084001 (2015). DOI:10.1088/0953-2048/28/8/084001
9. V. Edelman, Instruments and Experimental Techniques 52, 301 (2009). DOI:10.1134/S002044120902033X
10. V. Edelman and G. Yakopov, Instruments and Experimental Techniques 56, 613 (2013). DOI:10.1134/S002044121305014X
11. A. B. Ermakov, S. V. Shitov, A. M. Baryshev, et al., IEEE Transactions on Applied Superconductivity 11 (1), 840 (2001). DOI:10.1109/77.919475
12. A. Generalov, J. Holstein, A. Murros, et al., ACS Applied Electronic Materials 6 (4), 2197 (2024). DOI:10.1021/acsaelm.3c01511
13. M. J. E. Golay, Review of Scientific Instruments 18 (5), 347 (1947). DOI:10.1063/1.1740948
14. A. Gunbina, S. Mahashabde, M. Tarasov, et al., IEEE Transactions on Applied Superconductivity 31 (5), id. 3068999 (2021a). DOI:10.1109/TASC.2021.3068999
15. A. Gunbina, M. Tarasov, M. Fominsky, et al., “Fabrication of Aluminium Nanostructures for Microwave Detectors Based on Tunnel Junctions” in Advances inMicroelectronics Reviews, Vol. 3, Ed. by S. Y. Yurish (IFSA Publishing,Barcelona, Spain) 3, 183–211 (2021b).
16. A. A. Gunbina, M. A. Tarasov, S. A. Lemzyakov, et al., Physics of the Solid State 62, 1604 (2020). DOI:10.1134/S1063783420090097
17. J. Henning, P. Ade, K. Aird, et al., SPIE Conf. Proc. 8452, article id. 84523A (SPIE, 2012). DOI:10.1117/12.927172
18. B. S. Karasik and R. Cantor, Applied Physics Letters 98 (19), id. 193503 (2011). DOI:10.1063/1.3589367
19. M. A. Markina, A. M. Chekushkin, M. A. Tarasov, et al. Technical Physics 69 (7), 1004 (2024).
20. A. V. Merenkov, T. M. Kim, V. I. Chichkov et al. 64 (10), 1387 (2022). DOI:10.21883/FTT.2022.10.53081.50HH
21. O. V. Minin, J. Calvo-Gallego, Y. M. Meziani, and I. V. Minin, Applied Sciences 11 (15), id. 7011 (2021). DOI:10.3390/app11157011
22. R. Müller, B. Gutschwager, J. Hollandt, et al., Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves 36, 654 (2015). DOI:10.1007/s10762-015-0163-7
23. C. Nunez, J. W. Appel, S. M. Bruno, et al., SPIE Conf. Proc. 12190, id. 121901J (2022). DOI:10.1117/12.2630081
24. A. G. Paulish, A. V. Gusachenko, A. O. Morozov, et al., Sensor Review 40 (3), 291 (2020). DOI:10.1108/SR-03-2020-0047
25. A. Prikhodko, I. Belikov, D. Mikhailov, et al., Journal of Physics: Conf. Ser. 2086, id. 012063 (2021). DOI:10.1088/1742-6596/2086/1/012063
26. A. Rogalski, Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves 43 (9), 709 (2022). DOI:10.1007/s10762-022-00882-2
27. J. Sayre, P. Ade, K. Aird, et al., SPIE Conf. Proc. 8452, article id. 845239 (2012). DOI:10.1117/12.927035
28. D. Schmidt, K. Lehnert, A. Clark, et al., Applied Physics Letters 86 (5), id. 053505 (2005). DOI:10.1063/1.1855411
29. V. Stolyarov, Y. Balega, M. Mingaliev, et al., Astrophysical Bulletin 79 (2), 321 (2024). DOI:10.1134/S1990341324600467
30. M. Tarasov, A. Gunbina, A. Chekushkin, et al., Applied Sciences 12 (20), id. 10525 (2022). DOI:10.3390/app122010525
31. M. Tarasov, A. Gunbina, A. Krasilnikov, et al., in 2024 IEEE 9th All-Russian Microwave Conference (RMC), Moscow, Russian Federation, 2024 (IEEE, 2024), pp. 176–179. DOI:10.1109/RMC62880.2024.10845907
32. M. Tarasov, A. Gunbina, M. Fominskii, and A. Chekushkin, Application for a Russian patent for an invention RU 2757762 (2021a). [in Russian]
33. M. Tarasov, Yu. Nagirnaya, Yu. Gunbina, et al., Application for a Russian patent for an invention RU 2749575 (2021b). [in Russian]
34. M. A. Tarasov, V. S. Edelman, S. A. Lemzyakov, et al., in 2020 7th All-Russian Microwave Conference (RMC), Moscow, Russian Federation, 2020, (IEEE, 2020a), pp. 25–27. DOI:DOI:10.1109/RMC50626.2020.9312267
35. M. A. Tarasov, S. Mahashabde, A. A. Gunbina, et al., Physics of the Solid State 62, 1580 (2020b). DOI:10.1134/S1063783420090292
36. A. Vystavkin, S. Shitov, S. Bankov, et al., Radiophysics and Quantum Electronics 50, 852 (2007).
37. R. Yadav, F. Ludwig, F. R. Faridi, et al., Sensors 23 (7), 3469 (2023).
38. G. Yakopov,M. Tarasov, A.Gunbina, et al., in EPJWeb of Conferences, vol. 195, id. 05014 (EDP Sciences, 2018). DOI:10.1051/epjconf/201819505014
39. S. Yates, J. Baselmans, A. Endo, et al., Applied Physics Letters 99 (7) id. 073505 (2011). DOI:10.1063/1.3624846
40. R. Zhou and J. T. Yeow, IEEE Nanotechnology Magazine (online at https://inm.ieeenano.org/2024-october-issue-nanotechnology-progress-results/) (2024). DOI: 10.1109/MNANO.2024.3436328
2. S. Ariyoshi, K. Takahashi, T. Noguchi, et al., Superconductor Science and Technology 25 (7), article id. 075011 (2012). DOI:10.1088/0953-2048/25/7/075011
3. J. W. M. Baars, The Paraboloidal Reflector Antenna in Radio Astronomy and Communication (Springer, Berlin, 2007). DOI:10.1007/978-0-387-69734-5
4. Y. Balega, G. Bubnov, A. Chekushkin, et al., Sensors 24 (2), id. 359 (2024). DOI:10.3390/s24020359
5. J. Bueno, V. Murugesan, K. Karatsu, et al., Journal of Low Temperature Physics 193, 96 (2018). DOI:10.1007/s10909-018-1962-8
6. Y. Chai, S. Shu, Y. Li, et al., Journal of Low Temperature Physics 214 (3), 210 (2024). DOI:10.1007/s10909-023-03040-7
7. I. A. Devyatov, P. A. Krutitskiĭ, and M. Yu. Kupriyanov, JETP Letters 84, 57 (2006). DOI:10.1134/S0021364006140037
8. J. Du, K. Smart, L. Li, et al., Superconductor Science and Technology 28 (8), article id. 084001 (2015). DOI:10.1088/0953-2048/28/8/084001
9. V. Edelman, Instruments and Experimental Techniques 52, 301 (2009). DOI:10.1134/S002044120902033X
10. V. Edelman and G. Yakopov, Instruments and Experimental Techniques 56, 613 (2013). DOI:10.1134/S002044121305014X
11. A. B. Ermakov, S. V. Shitov, A. M. Baryshev, et al., IEEE Transactions on Applied Superconductivity 11 (1), 840 (2001). DOI:10.1109/77.919475
12. A. Generalov, J. Holstein, A. Murros, et al., ACS Applied Electronic Materials 6 (4), 2197 (2024). DOI:10.1021/acsaelm.3c01511
13. M. J. E. Golay, Review of Scientific Instruments 18 (5), 347 (1947). DOI:10.1063/1.1740948
14. A. Gunbina, S. Mahashabde, M. Tarasov, et al., IEEE Transactions on Applied Superconductivity 31 (5), id. 3068999 (2021a). DOI:10.1109/TASC.2021.3068999
15. A. Gunbina, M. Tarasov, M. Fominsky, et al., “Fabrication of Aluminium Nanostructures for Microwave Detectors Based on Tunnel Junctions” in Advances inMicroelectronics Reviews, Vol. 3, Ed. by S. Y. Yurish (IFSA Publishing,Barcelona, Spain) 3, 183–211 (2021b).
16. A. A. Gunbina, M. A. Tarasov, S. A. Lemzyakov, et al., Physics of the Solid State 62, 1604 (2020). DOI:10.1134/S1063783420090097
17. J. Henning, P. Ade, K. Aird, et al., SPIE Conf. Proc. 8452, article id. 84523A (SPIE, 2012). DOI:10.1117/12.927172
18. B. S. Karasik and R. Cantor, Applied Physics Letters 98 (19), id. 193503 (2011). DOI:10.1063/1.3589367
19. M. A. Markina, A. M. Chekushkin, M. A. Tarasov, et al. Technical Physics 69 (7), 1004 (2024).
20. A. V. Merenkov, T. M. Kim, V. I. Chichkov et al. 64 (10), 1387 (2022). DOI:10.21883/FTT.2022.10.53081.50HH
21. O. V. Minin, J. Calvo-Gallego, Y. M. Meziani, and I. V. Minin, Applied Sciences 11 (15), id. 7011 (2021). DOI:10.3390/app11157011
22. R. Müller, B. Gutschwager, J. Hollandt, et al., Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves 36, 654 (2015). DOI:10.1007/s10762-015-0163-7
23. C. Nunez, J. W. Appel, S. M. Bruno, et al., SPIE Conf. Proc. 12190, id. 121901J (2022). DOI:10.1117/12.2630081
24. A. G. Paulish, A. V. Gusachenko, A. O. Morozov, et al., Sensor Review 40 (3), 291 (2020). DOI:10.1108/SR-03-2020-0047
25. A. Prikhodko, I. Belikov, D. Mikhailov, et al., Journal of Physics: Conf. Ser. 2086, id. 012063 (2021). DOI:10.1088/1742-6596/2086/1/012063
26. A. Rogalski, Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves 43 (9), 709 (2022). DOI:10.1007/s10762-022-00882-2
27. J. Sayre, P. Ade, K. Aird, et al., SPIE Conf. Proc. 8452, article id. 845239 (2012). DOI:10.1117/12.927035
28. D. Schmidt, K. Lehnert, A. Clark, et al., Applied Physics Letters 86 (5), id. 053505 (2005). DOI:10.1063/1.1855411
29. V. Stolyarov, Y. Balega, M. Mingaliev, et al., Astrophysical Bulletin 79 (2), 321 (2024). DOI:10.1134/S1990341324600467
30. M. Tarasov, A. Gunbina, A. Chekushkin, et al., Applied Sciences 12 (20), id. 10525 (2022). DOI:10.3390/app122010525
31. M. Tarasov, A. Gunbina, A. Krasilnikov, et al., in 2024 IEEE 9th All-Russian Microwave Conference (RMC), Moscow, Russian Federation, 2024 (IEEE, 2024), pp. 176–179. DOI:10.1109/RMC62880.2024.10845907
32. M. Tarasov, A. Gunbina, M. Fominskii, and A. Chekushkin, Application for a Russian patent for an invention RU 2757762 (2021a). [in Russian]
33. M. Tarasov, Yu. Nagirnaya, Yu. Gunbina, et al., Application for a Russian patent for an invention RU 2749575 (2021b). [in Russian]
34. M. A. Tarasov, V. S. Edelman, S. A. Lemzyakov, et al., in 2020 7th All-Russian Microwave Conference (RMC), Moscow, Russian Federation, 2020, (IEEE, 2020a), pp. 25–27. DOI:DOI:10.1109/RMC50626.2020.9312267
35. M. A. Tarasov, S. Mahashabde, A. A. Gunbina, et al., Physics of the Solid State 62, 1580 (2020b). DOI:10.1134/S1063783420090292
36. A. Vystavkin, S. Shitov, S. Bankov, et al., Radiophysics and Quantum Electronics 50, 852 (2007).
37. R. Yadav, F. Ludwig, F. R. Faridi, et al., Sensors 23 (7), 3469 (2023).
38. G. Yakopov,M. Tarasov, A.Gunbina, et al., in EPJWeb of Conferences, vol. 195, id. 05014 (EDP Sciences, 2018). DOI:10.1051/epjconf/201819505014
39. S. Yates, J. Baselmans, A. Endo, et al., Applied Physics Letters 99 (7) id. 073505 (2011). DOI:10.1063/1.3624846
40. R. Zhou and J. T. Yeow, IEEE Nanotechnology Magazine (online at https://inm.ieeenano.org/2024-october-issue-nanotechnology-progress-results/) (2024). DOI: 10.1109/MNANO.2024.3436328
SINIS Detectors in the Subterahertz Range as a Basis for a Receiver for Radio Astronomical Research with the BTA Optical Telescope (SAO RAS)
© 2025
M. A. Tarasov1*, A. A. Gunbina1**, A. M. Chekushkin1, M. A. Markina1, R. A. Yusupov1, M. Yu. Fominskii1, L. V. Filippenko1, V. S. Edelman2, V. F. Vdovin3,4, V. A. Stolyarov4, I. I. Zinchenko3, A. M. Krasilnikov3,4, A. S. Marukhno3,4, M. A. Mansfeld3,4, D. E. Kukushkin4,5, D. A. Sazonenko4, O. S. Bolshakov3, A. B. Ermakov1, I. V. Lesnov3, A. F. Valeev4
1Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of the Russian Academy of Sciences, Moscow, 125009 Russia
2P. L. Kapitza Institute for Physical Problems Russian Academy of Sciences,Moscow, 119334 Russia
3A. V. Gaponov-Grekhov Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences, Nizhnii Novgorod, 603950 Russia
4Special Astrophysical Observatory of the Russian Academy of Sciences, Nizhnii Arkhyz, 369167 Russia
5ITMO University, Saint Petersburg, 197101 Russia
*E-mail: tarasov@hitech.cplire.ru
**E-mail: aleksandragunbina@mail.ru
2P. L. Kapitza Institute for Physical Problems Russian Academy of Sciences,Moscow, 119334 Russia
3A. V. Gaponov-Grekhov Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences, Nizhnii Novgorod, 603950 Russia
4Special Astrophysical Observatory of the Russian Academy of Sciences, Nizhnii Arkhyz, 369167 Russia
5ITMO University, Saint Petersburg, 197101 Russia
*E-mail: tarasov@hitech.cplire.ru
**E-mail: aleksandragunbina@mail.ru
There is an ongoing need in ground-based astronomy for ultra-sensitive receivers, both coherent (e.g., superheterodyne) and incoherent types, the latter offering potentially higher sensitivity. Both types rely on superconducting or cryogenically cooled semiconductor materials. This study explores the feasibility of using SINIS-based (Superconductor–Insulator–Normal metal–Insulator–Superconductor) detectors as incoherent superconducting receivers. We evaluate the ultimate performance parameters of SINIS detectors depending on the choice of superconducting material, operating temperature, and detection regime. Under moderate sub-Kelvin cooling (down to 0.28 K), aluminum-based SINIS detectors may achieve a responsivity of up to 108 VW−1 and a noise-equivalent power NEP = 10−17 WHz−1/2. For niobium-based SINIS detectors operating at 4.2 K, our estimates yield an NEP = 1.6 × 10−16 WHz−1/2, which may be of practical interest for specific applications. At the Special Astrophysical Observatory of the Russian Academy of Sciences (SAO RAS), a prototype project is underway to develop a domestic subterahertz observatory module integrated with the Big Telescope Alt-azimuthal (BTA). Within this framework, a SINIS-based subterahertz receiver is planned to be installed at the Nasmyth focus of the BTA optical telescope. This paper provides a technical overview and proposed design of the SINIS receiver, taking into account the optical telescope’s reflective system architecture, its immediate environment, and the expected scientific goals of such an observational setup.
Keywords:
instrumentation: adaptive optics—submillimeter astronomy—telescopes
К содержанию номера