СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ


СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

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

Чувствительным элементом (ЧЭ) сверхпроводникового болометра( СБ )является сверхпроводящая плёнка (СП), находящаяся при темп-ре, фиксированнойна крутом участке кривой перехода плёнки из нормального в сверхпроводящеесостояние (рис. 1). Незначит. нагрев плёнки (на ~10-4 К) потокомэл.-магн. излучения вызывает заметное изменение её сопротивления и напряженияна ней (при фиксиров. токе), к-рое и регистрируется малошумящим усилителем. <Чувствительность СБ пропорциональна крутизне кривой перехода и поэтомуиспользование материалов с узкими сверхпроводящими переходами являетсяпредпочтительным. СП должна удовлетворять и другим, часто противоречивымтребованиям: высокое уд. сопротивление в нормальном состоянии, малая толщина, <слабая зависимость чувствительности от частоты излучения, малая теплоёмкостьи др.
8021-21.jpg

Рис. 1. Температурная зависимость сопротивления плёнки R при переходееё ир нормального в сверхпроводящее состояние. RH - сопротивлениеплёнки в нормальном состоянии. Под действием излучения температура плёнкиувеличивается на 8021-22.jpg,её сопротивление на8021-23.jpg

Для достижения высокой чувствительности наиб. выгодным оказалось разделениеф-ций поглощения излучения и реагирования на вызываемый им нагрев. Этотпринцип реализован в т. н. составном болометре, простейшая схема к-рогопредставлена на рис. 2. В этом болометре ЧЭ (1)- СП из А1. Онананесена на одну из сторон тонкой сапфировой подложки (2), с др. <стороны подложки нанесена плёнка Bi (3), поглощающая излучение. Подложкаподвешена на тонких нейлоновых нитях (4), к-рые крепятся к массивноймедной 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. Находящаясяв хорошем тепловом контакте с ней плёнка А1 обладает узким сверхпроводящимпереходом (8021-26.jpgК) и обеспечивает высокий коэф. преобразования. Включение СП в измерительнуюсхему осуществляется при помощи тонких плёнок из индия, нанесённых на нейлоновыенити (4).
8021-24.jpg

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

СБ работает в режиме прямого детектирования излучения, к-рое обычномодулируется с НЧ (~10 Гц). Пороговая чувствительность Р П СБ, <т. е. мощность, вызывающая изменение напряжения на плёнке, равное среднеквадратичномушумовому напряжению на ней (см. Шумы в радиоэлектронике), определяетсяшумом ЧЭ. На практике в высокочувствит. СБ осн. шум обусловлен термодинамич. <флуктуациями темп-ры при переносе теплоты от ЧЭ к термостату. Этот шумобычно превосходит джонсоновский шум (белый шум )активного сопротивленияплёнки, а также шум, вызываемый флуктуациями фонового излучения. В этомслучае 8021-27.jpg, где G - коэф. тепловой связи ЧЭ с термостатом. Постоянная времениСБ определяется соотношением 8021-28.jpg, где С- теплоёмкость ЧЭ. С учётом этого 8021-29.jpgи ухудшается при уменьшении т, а при фиксированном т она улучшается с уменьшением С.

Высокочувствительными считаются СБ с Р П = 10-12-10-14 Вт/Гц 1/2, обладающие довольнозначит. инерционностью 8021-30.jpgс. Чувствительность описанного выше составного болометра достигает Р П=3*10-15 Вт/Гц 1/2 при частоте модуляции 2 Гц. <Для увеличения быстродействия СБ (ведущего к соответствующей потере чувствительности)СП наносится на массивную подложку через теплоизолирующую прослойку, либоСП находится в тепловом контакте с жидким гелием, что обеспечивает быстрыйотвод от неё теплоты. Постоянная времени таких СБ уменьшается до 10-5-10-10 с, а Р П = 10-2-10-12 Вт/Гц 1/2.

Действие приёмников излучения с джозефсоновскими переходами (ДП) основываетсяна видоизменении нелинейных вольт-амперных характеристик (ВАХ) этих переходовпод действием эл.-магн. излучения. На рис. 3 схематически представленаВАХ 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 переходас непосредственной проводимостью. Сплошная кривая - ВАХ без действия излучения, <штриховая кривая - ВАХ при действии излучения, штрихпунктир - нагрузочнаякривая. I С - критический ток,8021-32.jpg- изменение напряжения под действием излучения.

Воздействие излучения (с частотой f) сводится в осн. к понижениюкритич. тока I С и появлению вертикальных ступеней принапряжениях 8021-33.jpg(n - целое число, соответствующее номеру ступени). Ступени на ВАХобусловлены нелинейным взаимодействием в переходе колебаний тока - собственных(джозефсоповских) и наведённых внеш. излучением. В режиме квадратичногодетектирования ДП включается в цепь с заданным током и при понижении I С происходит изменение напряжения на ДП DV, к-рое н регистрируется как откликприёмника. Для малых амплитуд наведённого тока 8021-34.jpgвеличина отклика 8021-35.jpgВ случае низких частот 8021-36.jpgопределяется кривизной ВАХ и не зависит от частоты. Этот случай тождественслучаю обычного классич. детектирования излучения нелинейным элементом. <В области высоких частот величина отклика пропорциональна дифференц. сопротивлению Rd ДП и обратно пропорциональна f2. Для смещений вблизиступеньки 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 сверхпроводящийточечный контакт, смещение на к-ром задаётся в максимуме Rd.В области высоких частот (f ~ 100-200 ГГц) лучшие из полученныхзначений Р П достигают 10-14-10-15 Вт/Гц 1/2. Спектральная область чувствительности детекторов простираетсядо ~1000 ГГц, при этом, однако, Р П ухудшается с ростом f.

В гетеродинных приёмниках излучения нелинейность ВАХ ДП используетсядля смещения поступающего сигнала с частотой f с сигналом внеш. <гетеродина f Г и с дальнейшим усилением по промежуточнойчастоте 8021-37.jpg. Общая схема приёмника аналогична обычным гетеродинным приёмникам с нелинейнымсмесительным элементом (см. Радиоприёмные устройства). Наилучшаяэффективность преобразования частот получается при задании смещения наДП в точке максимума Rd (обычно между 0 и V1- первой ступенькой). Чувствительность приёмника со смесителем зависитот величины шума, добавляемого при преобразовании частоты сигнала к f п,и обычно характеризуется соответствующей шумовой температурой TN. Сильнаянелинейность ВАХ и наличие в ДП собств. генерации создают условия для преобразования«вниз» по частоте не только полезного сигнала, но п мн. ВЧ-компонентовшума. В результате, как показывают теория и эксперимент,TN смесителя на основе ДП в десятки раз превышает его физ. темп-ру. Частотнаяобласть использования смесителей с ДП составляет 30-500 ГГц. Для частот~100 ГГц наименьшее достигнутое значение TN равняется 8021-38.jpg100К. <Как квадратичные детекторы, так и гетеродинные приёмники на основе ДП широконе применялись. Причина этого в недостаточной стабильности свойств обычноиспользуемых в них сверхпроводящих точечных контактов и в повыш. уровнешума. Вместе с тем по своим возможностям они в ВЧ-области (100-1000 ГГц)превосходят, по-видимому, приёмники, основанные на Шоттки эффекте иодночастичных туннельных переходах (см. Туннельный эффект).
8021-41.jpg

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

В туннельных переходах сверхпроводник - изолятор - сверхпроводник (СИС)при напряжении смещения 8021-39.jpg, где 8021-40.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 бытьиспользована для прямого детектирования эл.-магн. излучения. Отклик приёмногоэлемента СИС в этом случае определяется как изменение тока через переходна единицу мощности падающего излучения. В случае низких частот откликпропорционален крутизне ВАХ, а при частотах 8021-42.jpg, где 8021-43.jpg- ширина области роста тока вблизи энергетич. щели, предельное значениеотклика соответствует квантовому пределу hf/e. Пороговая чувствительность Р П такого детектора ограничивается шумом тока смещения. <В квантовом пределе Р П пропорциональна корню квадратномуиз числа фотонов, поглощённых за время, соответствующее обратной ширинеполосы детектора, и вызывающих изменение тока в детекторе, равное ср. шумовомутоку. Достигнутое значение Р П =2,6*10-16 Вт/Гц 1/2 для частоты 36 ГГц очень близко к квантовому пределуи является наилучшим для детекторов миллиметрового диапазона. В комбиниров. <туннельном переходе сверхпроводник - изолятор - нормальный металл былоосуществлено детектирование излучения с частотами до 8021-44.jpg600 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 какнелинейное сопротивление по схеме обычного классич. смесителя. В этом режимедля туннельного перехода Pb(Bi) были получены малые потери преобразования(8021-45.jpg. дБ),а шумовая темп-pa З 8021-46.jpg4 К (на частоте 8021-47.jpg36 ГГц). Позднее теоретически и экспериментально было показано, что в результатепроисходящего в СИС процесса туннелирования, сопровождаемого поглощениемфотонов падающего излучения,8021-48.jpg, выходной импеданс может принимать очень большие значения и даже становитьсяотрицательным. Подобные эффекты наблюдаются при смещении, несколько меньшем 8021-49.jpg,и в этом случае преобразование сигнала может осуществляться с большим усилением. <Реализация больших усилений на практике приводит к неустойчивой работеприёмника. Поэтому наиб. выгодным оказался режим работы с таким усилением, <при к-ром шумовая темп-pa усилителя промежуточной частоты, пересчитаннаяк смесителю, соответствует уровню шумовой темп-ры смесителя TN. Втаком режиме на оловянном СИС с крутой ВАХ при усилении 8021-50.jpg4 дБ удалось достичь значений TN= 98021-51.jpg6 К для частоты 36 ГГц. Смесители на основе СИС получили довольно широкоераспространение и на практике применяются разл. варианты их конструкций. <Частотная область их использования 30-300 ГГц. Значение TN близкок квантовому пределу hf/k и по этому параметру СИС-смесители превосходяти смесители на основе джозефсоновских переходов п на основе эффекта Шоттки. <По своей чувствительности они достигли уровня мазеров, будучи вместес тем более высокочастотными и широкополосными, чем последние. Частотныйдиапазон СИС-смесителей со стороны высоких частот ограничивается шунтирующимдействием собств. ёмкости перехода и возрастанием вклада дополнит. (джозефсоновского)шума с увеличением частоты. Для повышения рабочих частот перспективнымявляется использование сверхпроводящих материалов с высокой критическойтемпературой.

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

Лит.: Надь Ф. Я., Приемники миллиметрового и субмиллиметровогоизлучения на основе джозефсоновских переходов, «ПТЭ», 1975, № 1, с. 7;Кошелец В. П., Овсянников Г. А., Криогенные СВЧ устройства, «Зарубежнаярадиоэлектроника», 1983, № 6, с. 31; Хребтов И. А., Сверхпроводниковыеболометры, «ПТЭ», 1984, №4, с. 5; Tucker J. R., Feldman M. J., Quantumdetection at millimeter wavelengths, «Rev. Mod. Phys.», 1985, v. 57, №4, p. 1055. Ф. Я. Надь.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.


.

Смотреть что такое "СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ" в других словарях:

  • РАДИОПРИЕМНИКИ СВЧ — радиоприёмные устройства, предназначенные для работы в диапазоне радиоволн от 300 МГц до 3000 ГГц (в диапазоне СВЧ). Р. СВЧ подразделяются по рабочему диапазону на Р. СВЧ дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн, а также по схеме… …   Физическая энциклопедия


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.