Superconducting Transition-Edge Sensor Physics

Despite record-setting performance demonstrated by superconducting Transition Edge Sensors (TESs) and growing utilization of the technology, a theoretical model of the physics governing TES devices superconducting phase transition has proven elusive. Earlier attempts to describe TESs assumed them to be uniform superconductors. Sadleir et al. 2010 shows that TESs are weak links and that the superconducting order parameter strength has significant spatial variation. Measurements are presented of the temperature T and magnetic field B dependence of the critical current Ic measured over 7 orders of magnitude on square Mo/Au bilayers ranging in length from 8 to 290 microns. We find our measurements have a natural explanation in terms of a spatially varying order parameter that is enhanced in proximity to the higher transition temperature superconducting leads (the longitudinal proximity effect) and suppressed in proximity to the added normal metal structures (the lateral inverse proximity effect). These in-plane proximity effects and scaling relations are observed over unprecedentedly long lengths (in excess of 1000 times the mean free path) and explained in terms of a Ginzburg-Landau model. Our low temperature Ic(B) measurements are found to agree with a general derivation of a superconducting strip with an edge or geometric barrier to vortex entry and we also derive two conditions that lead to Ic rectification. At high temperatures the Ic(B) exhibits distinct Josephson effect behavior over long length scales and following functional dependences not previously reported. We also investigate how film stress changes the transition, explain some transition features in terms of a nonequilibrium superconductivity effect, and show that our measurements of the resistive transition are not consistent with a percolating resistor network model.

Acreditação do Laboratório de Metrologia da Frilabo para Ensaios e Calibrações em Temperaturas

O trabalho desenvolvido centrou-se na preparação da acreditação NP EN ISO/IEC 17025 do Laboratório de Metrologia da empresa Frilabo para prestação de serviços na área das temperaturas, no ensaio a câmaras térmicas e na calibração de termómetros industriais. Considerando o âmbito do trabalho desenvolvido, são abordados nesta tese conceitos teóricos sobre temperatura e incertezas bem como considerações técnicas de medição da temperatura e cálculo de incertezas. São também referidas considerações sobre os diferentes tipos de câmaras térmicas e termómetros. O texto apresenta os documentos elaborados pelo autor sobre os procedimentos de ensaio a câmaras térmicas e respetivo procedimento de cálculo da incerteza. Também estão presentes neste texto documentos elaborados pelo autor sobre os procedimentos de calibração de termómetros industriais e respetivo procedimento de cálculo da incerteza. Relativamente aos ensaios a câmara térmicas e calibração de termómetros o autor elaborou os fluxogramas sobre a metodologia da medição da temperatura nos ensaios, a metodologia de medição da temperatura nas calibrações, e respetivos cálculos de incertezas. Nos diferentes anexos estão apresentados vários documentos tais como o modelo de folha de cálculo para tratamento de dados relativos ao ensaio, modelo de folha de cálculo para tratamento de dados relativo às calibrações, modelo de relatório de ensaio, modelo de certificado de calibração, folhas de cálculo para gestão de clientes/equipamentos e numeração automática de relatórios de ensaio e certificados de calibração que cumprem os requisitos de gestão do laboratório. Ainda em anexo constam todas as figuras relativas à monitorização da temperatura nas câmara térmicas como também as figuras da disposição dos termómetros no interior das câmaras térmicas. Todas as figuras que aparecem ao longo do documento que não estão referenciadas são da adaptação ou elaboração própria do autor. A decisão de alargar o âmbito da acreditação do Laboratório de Metrologia da Frilabo para calibração de termómetros, prendeu-se com o facto de que sendo acreditado como laboratório de ensaios na área das temperaturas, a realização da rastreabilidade dos padrões de medida internamente, permitiria uma gestão de recursos otimizada e rentabilizada. A metodologia da preparação de todo o processo de acreditação do Laboratório de Metrologia da Frilabo, foi desenvolvida pelo autor e está expressa ao longo do texto da tese incluindo dados relevantes para a concretização da referida acreditação nos dois âmbitos. A avaliação de todo o trabalho desenvolvido será efetuada pelo o organismo designado IPAC (Instituto Português de Acreditação) que confere a acreditação em Portugal. Este organismo irá auditar a empresa com base nos procedimentos desenvolvidos e nos resultados obtidos, sendo destes o mais importante o Balanço da Melhor Incerteza (BMI) da medição também conhecido por Melhor Capacidade de Medição (MCM), quer para o ensaio às câmaras térmicas, quer para a calibração dos termómetros, permitindo desta forma complementar os serviços prestados aos clientes fidelizados à Frilabo. As câmaras térmicas e os termómetros industriais são equipamentos amplamente utilizados em diversos segmentos industriais, engenharia, medicina, ensino e também nas instituições de investigação, sendo um dos objetivos respetivamente, a simulação de condições específicas controladas e a medição de temperatura. Para entidades acreditadas, como os laboratórios, torna-se primordial que as medições realizadas com e nestes tipos de equipamentos ostentem confiabilidade metrológica1, uma vez que, resultados das medições inadequados podem levar a conclusões equivocadas sobre os testes realizados. Os resultados obtidos nos ensaios a câmaras térmicas e nas calibrações de termómetros, são considerados bons e aceitáveis, uma vez que as melhores incertezas obtidas, podem ser comparadas, através de consulta pública do Anexo Técnico do IPAC, com as incertezas de outros laboratórios acreditados em Portugal. Numa abordagem mais experimental, pode dizer-se que no ensaio a câmaras térmicas a obtenção de incertezas mais baixas ou mais altas depende maioritariamente do comportamento, características e estado de conservação das câmaras, tornando relevante o processo de estabilização da temperatura no interior das mesmas. A maioria das fontes de incerteza na calibração dos termómetros são obtidas pelas características e especificações do fabricante dos equipamentos, que se traduzem por uma contribuição com o mesmo peso para o cálculo da incerteza expandida (a exatidão de fabricante, as incertezas herdadas de certificados de calibração, da estabilidade e da uniformidade do meio térmico onde se efetuam as calibrações). Na calibração dos termómetros as incertezas mais baixas obtêm-se para termómetros de resoluções mais baixas. Verificou-se que os termómetros com resolução de 1ºC não detetavam as variações do banho térmico. Nos termómetros com resoluções inferiores, o peso da contribuição da dispersão de leituras no cálculo da incerteza, pode variar consoante as características do termómetro. Por exemplo os termómetros com resolução de 0,1ºC, apresentaram o maior peso na contribuição da componente da dispersão de leituras. Pode concluir-se que a acreditação de um laboratório é um processo que não é de todo fácil. Podem salientar-se aspetos que podem comprometer a acreditação, como por exemplo a má seleção do ou dos técnicos e equipamentos (má formação do técnico, equipamento que não seja por exemplo adequado à gama, mal calibrado, etc…) que vão efetuar as medições. Se não for bem feita, vai comprometer todo o processo nos passos seguintes. Deve haver também o envolvimento do todos os intervenientes do laboratório, o gestor da qualidade, o responsável técnico e os técnicos, só assim é que é possível chegar à qualidade pretendida e à melhoria contínua da acreditação do laboratório. Outro aspeto importante na preparação de uma acreditação de um laboratório é a pesquisa de documentação necessária e adequada para poder tomar decisões corretas na elaboração dos procedimentos conducentes à referida. O laboratório tem de mostrar/comprovar através de registos a sua competência. Finalmente pode dizer-se que competência é a palavra chave de uma acreditação, pois ela manifesta-se nas pessoas, equipamentos, métodos, instalações e outros aspetos da instituição a que pertence o laboratório sob acreditação.