к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Сверхпроводниковые приемники излучения

Сверхпроводниковые приемники излучения - приёмные устройства, основанные на изменении состояния сверхпроводника (или системы сверхпроводников) под действием излучения. Использование сверхпроводников, обладающих малым уровнем шума и сильно нелинейными свойствами, позволяет достигнуть высокой чувствительности С. п. и., приближающейся к теоретич. (квантовому) пределу. Наиб. распространение получили след. виды С. п. п.: сверхпроводниковые болометры ,приёмники на основе Джозефсона эффекта (туннелирование спаренных электронов) и приёмники на основе одночастичного туннелирования.

Чувствительным элементом (ЧЭ) сверхпроводникового болометра (СБ)является сверхпроводящая плёнка (СП), находящаяся при температуре, фиксированной на крутом участке кривой перехода плёнки из нормального в сверхпроводящее состояние (рис. 1). Незначит. нагрев плёнки (на ~10-4 К) потоком эл--магн. излучения вызывает заметное изменение её сопротивления и напряжения на ней (при фиксиров. токе), к-рое и регистрируется малошумящим усилителем. Чувствительность СБ пропорциональна крутизне кривой перехода и поэтому использование материалов с узкими сверхпроводящими переходами является предпочтительным. СП должна удовлетворять и другим, часто противоречивым требованиям: высокое уд. сопротивление в нормальном состоянии, малая толщина, слабая зависимость чувствительности от частоты излучения, малая теплоёмкость и др.
8021-21.jpg

Рис. 1. Температурная зависимость сопротивления плёнки R при переходе её ир нормального в сверхпроводящее состояние. RH - сопротивление плёнки в нормальном состоянии. Под действием излучения температура плёнки увеличивается на8021-22.jpg, её сопротивление на8021-23.jpg

Для достижения высокой чувствительности наиб. выгодным оказалось разделение функций поглощения излучения и реагирования на вызываемый им нагрев. Этот принцип реализован в т. н. составном болометре, простейшая схема к-рого представлена на рис. 2. В этом болометре ЧЭ (1)- СП из А1. Она нанесена на одну из сторон тонкой сапфировой подложки (2), с др. стороны подложки нанесена плёнка Bi (3), поглощающая излучение. Подложка подвешена на тонких нейлоновых нитях (4), к-рые крепятся к массивной медной рамке. (5) - «термостату» с большой постоянной времени (8021-25.jpg~ 10 с). Висмутовая плёнка имеет значит. сопротивление и высокий коэф. поглощения, величина к-рого практически не зависит от длины волны излучения. Находящаяся в хорошем тепловом контакте с ней плёнка А1 обладает узким сверхпроводящим переходом (8021-26.jpg К) и обеспечивает высокий коэф. преобразования. Включение СП в измерительную схему осуществляется при помощи тонких плёнок из индия, нанесённых на нейлоновые нити (4).
8021-24.jpg

Рис. 2. Схема основного узла составного сверхпроаодя-щего болометра: 1 - сверхпроводящая плёнка из А1; 2 - сапфировая подложка; 3 - плёнка из Bi; 4 - нейлоновые нити; 5 - медная рамка; 6 - висмутовый нагреватель подложки; 7 - контакты из In.

СБ работает в режиме прямого детектирования излучения, к-рое обычно модулируется с НЧ (~10 Гц). Пороговая чувствительность РПСБ, т. е. мощность, вызывающая изменение напряжения на плёнке, равное среднеквадратичному шумовому напряжению на ней (см. Шумы в радиоэлектронике), определяется шумом ЧЭ. На практике в высокочувствит. СБ осн. шум обусловлен термодинамич. флуктуациями температуры при переносе теплоты от ЧЭ к термостату. Этот шум обычно превосходит джонсоновский шум (белый шум)активного сопротивления плёнки, а также шум, вызываемый флуктуациями фонового излучения. В этом случае8021-27.jpg , где G - коэф. тепловой связи ЧЭ с термостатом. Постоянная времени СБ определяется соотношением8021-28.jpg , где С - теплоёмкость ЧЭ. С учётом этого8021-29.jpg и ухудшается при уменьшении т, а при фиксированном т она улучшается с уменьшением С.

Высокочувствительными считаются СБ с РП = 10-12- 10-14 Вт/Гц 1/2, обладающие довольно значит. инерционностью8021-30.jpg с. Чувствительность описанного выше составного болометра достигает РП = 3*10-15 Вт/Гц1/2 при частоте модуляции 2 Гц. Для увеличения быстродействия СБ (ведущего к соответствующей потере чувствительности) СП наносится на массивную подложку через теплоизолирующую прослойку, либо СП находится в тепловом контакте с жидким гелием, что обеспечивает быстрый отвод от неё теплоты. Постоянная времени таких СБ уменьшается до 10-5-10-10 с, а РП = 10-2-10-12 Вт/Гц1/2.

Действие приёмников излучения с джозефсоновскими переходами (ДП) основывается на видоизменении нелинейных вольт-амперных характеристик (ВАХ) этих переходов под действием эл--магн. излучения. На рис. 3 схематически представлена ВАХ ДП с непосредств. проводимостью (мостик, точечный контакт) как в отсутствие, так и при наличии внеш. излучения.
8021-31.jpg

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) джозефсоновского перехода с непосредственной проводимостью. Сплошная кривая - ВАХ без действия излучения, штриховая кривая - ВАХ при действии излучения, штрихпунктир - нагрузочная кривая. IС - критический ток,8021-32.jpg - изменение напряжения под действием излучения.

Воздействие излучения (с частотой f) сводится в осн. к понижению критич. тока IС и появлению вертикальных ступеней при напряжениях8021-33.jpg (n - целое число, соответствующее номеру ступени). Ступени на ВАХ обусловлены нелинейным взаимодействием в переходе колебаний тока - собственных (джозефсоповских) и наведённых внеш. излучением. В режиме квадратичного детектирования ДП включается в цепь с заданным током и при понижении IС происходит изменение напряжения на ДП DV, к-рое н регистрируется как отклик приёмника. Для малых амплитуд наведённого тока8021-34.jpg величина отклика8021-35.jpg В случае низких частот8021-36.jpg определяется кривизной ВАХ и не зависит от частоты. Этот случай тождествен случаю обычного классич. детектирования излучения нелинейным элементом. В области высоких частот величина отклика пропорциональна дифференц. сопротивлению Rd ДП и обратно пропорциональна f2. Для смещений вблизи ступеньки отклик резонансным образом зависит от /, т. е. является селективным. В основу конструкции квадратичных детекторов положена схема обычного модуляц. радиометра ,а в качестве ЧЭ чаще всего используется сверхпроводящий точечный контакт, смещение на к-ром задаётся в максимуме Rd. В области высоких частот (f ~ 100-200 ГГц) лучшие из полученных значений РП достигают 10-14-10-15 Вт/Гц1/2. Спектральная область чувствительности детекторов простирается до ~1000 ГГц, при этом, однако, РП ухудшается с ростом f.

В гетеродинных приёмниках излучения нелинейность ВАХ ДП используется для смещения поступающего сигнала с частотой f с сигналом внеш. гетеродина fГ и с дальнейшим усилением по промежуточной частоте8021-37.jpg . Общая схема приёмника аналогична обычным гетеродинным приёмникам с нелинейным смесительным элементом (см. Радиоприёмные устройства ).Наилучшая эффективность преобразования частот получается при задании смещения на ДП в точке максимума Rd (обычно между 0 и V1 - первой ступенькой). Чувствительность приёмника со смесителем зависит от величины шума, добавляемого при преобразовании частоты сигнала к fп, и обычно характеризуется соответствующей шумовой температурой TN. Сильная нелинейность ВАХ и наличие в ДП собств. генерации создают условия для преобразования «вниз» по частоте не только полезного сигнала, но п мн. ВЧ-компонентов шума. В результате, как показывают теория и эксперимент, TN смесителя на основе ДП в десятки раз превышает его физ. температуру. Частотная область использования смесителей с ДП составляет 30-500 ГГц. Для частот ~100 ГГц наименьшее достигнутое значение TNравняется8021-38.jpg100К. Как квадратичные детекторы, так и гетеродинные приёмники на основе ДП широко не применялись. Причина этого в недостаточной стабильности свойств обычно используемых в них сверхпроводящих точечных контактов и в повыш. уровне шума. Вместе с тем по своим возможностям они в ВЧ-области (100-1000 ГГц) превосходят, по-видимому, приёмники, основанные на Шоттки эффекте и одночастичных туннельных переходах (см. Туннельный эффект).
8021-41.jpg

Рис. 4. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) туннельного перехода сверхпроводник - изолятор - сверхпроводник. Сплошная кривая - ВАХ без действия излучения, штриховая кривая - ВАХ при действии излучения с частотой f.

В туннельных переходах сверхпроводник - изолятор - сверхпроводник (СИС) при напряжении смещения8021-39.jpg , где8021-40.jpg - ширина энергетпч. щели сверхпроводника, начинается туннелирование отд. электронов, к-рому соответствует резкий рост тока через переход (рис. 4). Большая нелинейность ВАХ такого одночастичного туннелирования может быть использована для прямого детектирования эл--магн. излучения. Отклик приёмного элемента СИС в этом случае определяется как изменение тока через переход на единицу мощности падающего излучения. В случае низких частот отклик пропорционален крутизне ВАХ, а при частотах8021-42.jpg , где8021-43.jpg - ширина области роста тока вблизи энергетич. щели, предельное значение отклика соответствует квантовому пределу hf/e. Пороговая чувствительность РП такого детектора ограничивается шумом тока смещения. В квантовом пределе РП пропорциональна корню квадратному из числа фотонов, поглощённых за время, соответствующее обратной ширине полосы детектора, и вызывающих изменение тока в детекторе, равное ср. шумовому току. Достигнутое значение РП = 2,6*10-16 Вт/Гц1/2 для частоты 36 ГГц очень близко к квантовому пределу и является наилучшим для детекторов миллиметрового диапазона. В комбиниров. туннельном переходе сверхпроводник - изолятор - нормальный металл было осуществлено детектирование излучения с частотами до8021-44.jpg 600 ГГц, величина отклика при этом также была близка к квантовому пределу.

Резкая нелинейность ВАХ переходов СИС используется для создания смесителей миллиметрового диапазона. Первоначально СИС использовался только как нелинейное сопротивление по схеме обычного классич. смесителя. В этом режиме для туннельного перехода Pb(Bi) были получены малые потери преобразования (8021-45.jpg2 дБ), а шумовая темп-pa З8021-46.jpg 4 К (на частоте8021-47.jpg 36 ГГц). Позднее теоретически и экспериментально было показано, что в результате происходящего в СИС процесса туннелирования, сопровождаемого поглощением фотонов падающего излучения,8021-48.jpg , выходной импеданс может принимать очень большие значения и даже становиться отрицательным. Подобные эффекты наблюдаются при смещении, несколько меньшем8021-49.jpg, и в этом случае преобразование сигнала может осуществляться с большим усилением. Реализация больших усилений на практике приводит к неустойчивой работе приёмника. Поэтому наиб. выгодным оказался режим работы с таким усилением, при к-ром шумовая темп-pa усилителя промежуточной частоты, пересчитанная к смесителю, соответствует уровню шумовой температуры смесителя TN. В таком режиме на оловянном СИС с крутой ВАХ при усилении8021-50.jpg 4 дБ удалось достичь значений TN = 98021-51.jpg 6 К для частоты 36 ГГц. Смесители на основе СИС получили довольно широкое распространение и на практике применяются разл. варианты их конструкций. Частотная область их использования 30-300 ГГц. Значение TN близко к квантовому пределу hf/k и по этому параметру СИС-смесители превосходят и смесители на основе джозефсоновских переходов п на основе эффекта Шоттки. По своей чувствительности они достигли уровня мазеров ,будучи вместе с тем более высокочастотными и широкополосными, чем последние. Частотный диапазон СИС-смесителей со стороны высоких частот ограничивается шунтирующим действием собств. ёмкости перехода и возрастанием вклада дополнит. (джозефсоновского) шума с увеличением частоты. Для повышения рабочих частот перспективным является использование сверхпроводящих материалов с высокой критической температурой.

Высокая чувствительность описанных выше С. п. и., в ряде случаев близкая к квантовому пределу, делает целесообразным их применение прежде всего для регистрации чрезвычайно слабых потоков эл--магн. излучения - в спектроскопии, астрономии, биологии, медицине и во многих физ. измерениях.

Литература по сверхпроводниковым приемникам излучениям

  1. Надь Ф. Я., Приемники миллиметрового и субмиллиметрового излучения на основе джозефсоновских переходов, «ПТЭ», 1975, № 1, с. 7;
  2. Кошелец В. П., Овсянников Г. А., Криогенные СВЧ устройства, «Зарубежная радиоэлектроника», 1983, № 6, с. 31;
  3. Хребтов И. А., Сверхпроводниковые болометры, «ПТЭ», 1984, №4, с. 5;
  4. Tucker J. R., Feldman M. J., Quantum detection at millimeter wavelengths, «Rev. Mod. Phys.», 1985, v. 57, № 4, p. 1055.

Ф. Я. Надь

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

(время поиска примерно 20 секунд)


Знаете ли Вы, что в 1974 - 1980 годах профессор Стефан Маринов из г. Грац, Австрия, проделал серию экспериментов, в которых показал, что Земля движется по отношению к некоторой космической системе отсчета со скоростью 360±30 км/с, которая явно имеет какой-то абсолютный статус. Естественно, ему не давали нигде выступать и он вынужден был начать выпуск своего научного журнала "Deutsche Physik", где объяснял открытое им явление. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Форум Рыцари теории эфира


Рыцари теории эфира
 12.08.2020 - 21:59: СОВЕСТЬ - Conscience -> РУССКИЙ МИР - Карим_Хайдаров.
12.08.2020 - 21:57: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
12.08.2020 - 21:56: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от схиигумена Сергия (Николая Романова) - Карим_Хайдаров.
12.08.2020 - 21:52: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Пламена Паскова - Карим_Хайдаров.
12.08.2020 - 16:56: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> Биологическая безопасность населения - Карим_Хайдаров.
11.08.2020 - 13:54: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ЭКОЛОГИЯ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров.
11.08.2020 - 13:11: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> РАСЧЕЛОВЕЧИВАНИЕ ЧЕЛОВЕКА. КОМУ ЭТО НАДО? - Карим_Хайдаров.
11.08.2020 - 06:45: ЭКОНОМИКА И ФИНАНСЫ - Economy and Finances -> КОЛЛАПС МИРОВОЙ ФИНАНСОВОЙ СИСТЕМЫ - Карим_Хайдаров.
11.08.2020 - 06:44: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Аркадия Мелконяна - Карим_Хайдаров.
10.08.2020 - 13:12: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> ОБРАЩЕНИЕ к учёным и работникам просвещения - Карим_Хайдаров.
09.08.2020 - 18:30: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Андрея Фурсова - Карим_Хайдаров.
09.08.2020 - 18:29: ЭКОНОМИКА И ФИНАНСЫ - Economy and Finances -> ПРОБЛЕМА КРИМИНАЛИЗАЦИИ ЭКОНОМИКИ - Карим_Хайдаров.

Боровское исследовательское учреждение - Bourabai Research Bourabai Research Institution