Сверхпроводниковые приемники излучения. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

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.

Рис. 1. Температурная зависимость сопротивления плёнки R при переходе её ир нормального в сверхпроводящее состояние. R_H- сопротивление плёнки в нормальном состоянии. Под действием излучения температура плёнки увеличивается на, её сопротивление на

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 (

~ 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 (

К) и обеспечивает высокий коэф. преобразования. Включение СП в измерительную схему осуществляется при помощи тонких плёнок из индия, нанесённых на нейлоновые нити (4).

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 Р_ПСБ, 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 случае

, где G - коэф. тепловой связи ЧЭ с термостатом. Постоянная времени СБ определяется соотношением

, где С - теплоёмкость ЧЭ. С учётом этого

и 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 довольно значит. инерционностью

с. 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, 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 Р_П = 10^-2-10^-12 Вт/Гц^1/2.

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.

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. I_С - критический ток, - изменение напряжения под действием излучения.

Воздействие излучения (с частотой f) сводится в осн. к понижению критич. тока I_С и появлению вертикальных ступеней при напряжениях

(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 I_С происходит изменение напряжения на ДП DV, к-рое н регистрируется как отклик приёмника. Для малых амплитуд наведённого тока

величина отклика

В случае низких частот

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 R_d 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 R_d. В области высоких частот (f ~ 100-200 ГГц) лучшие из полученных значений Р_П достигают 10^-14-10^-15 Вт/Гц^1/2. Спектральная область чувствительности детекторов простирается до ~1000 ГГц, при этом, однако, Р_П ухудшается с ростом f.

В гетеродинных приёмниках излучения нелинейность ВАХ ДП используется для смещения поступающего сигнала с частотой f с сигналом внеш. гетеродина f_Г и с дальнейшим усилением по промежуточной частоте

. 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 R_d (обычно между 0 и V₁ - первой ступенькой). Чувствительность приёмника со смесителем зависит от величины шума, добавляемого при преобразовании частоты сигнала к f_п, и обычно характеризуется соответствующей шумовой температурой T_N. 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, T_N 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 T_Nравняется

100К. 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).

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 смещения

, где

- 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 частотах

, где

- ширина области роста тока вблизи энергетич. щели, предельное значение отклика соответствует квантовому пределу hf/e. Пороговая чувствительность Р_П такого детектора ограничивается шумом тока смещения. В квантовом пределе Р_Ппропорциональна 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 Р_П = 2,6*10^-16 Вт/Гц^1/2 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 до

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 (

2 дБ), а шумовая темп-pa З

4 К (на частоте

36 ГГц). Позднее теоретически и экспериментально было показано, что в результате происходящего в СИС процесса туннелирования, сопровождаемого поглощением фотонов падающего излучения,

, выходной импеданс может принимать очень большие значения и даже становиться отрицательным. Подобные эффекты наблюдаются при смещении, несколько меньшем

, 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 T_N. В таком режиме на оловянном СИС с крутой ВАХ при усилении

4 дБ удалось достичь значений T_N = 9

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 T_Nблизко 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

Знаете ли Вы, что cогласно релятивистской мифологии "гравитационное линзирование - это физическое явление, связанное с отклонением лучей света в поле тяжести. Гравитационные линзы обясняют образование кратных изображений одного и того же астрономического объекта (квазаров, галактик), когда на луч зрения от источника к наблюдателю попадает другая галактика или скопление галактик (собственно линза). В некоторых изображениях происходит усиление яркости оригинального источника." (Релятивисты приводят примеры искажения изображений галактик в качестве подтверждения ОТО - воздействия гравитации на свет)
При этом они забывают, что поле действия эффекта ОТО - это малые углы вблизи поверхности звезд, где на самом деле этот эффект не наблюдается (затменные двойные). Разница в шкалах явлений реального искажения изображений галактик и мифического отклонения вблизи звезд - 10¹¹ раз. Приведу аналогию. Можно говорить о воздействии поверхностного натяжения на форму капель, но нельзя серьезно говорить о силе поверхностного натяжения, как о причине океанских приливов.
Эфирная физика находит ответ на наблюдаемое явление искажения изображений галактик. Это результат нагрева эфира вблизи галактик, изменения его плотности и, следовательно, изменения скорости света на галактических расстояниях вследствие преломления света в эфире различной плотности. Подтверждением термической природы искажения изображений галактик является прямая связь этого искажения с радиоизлучением пространства, то есть эфира в этом месте, смещение спектра CMB (космическое микроволновое излучение) в данном направлении в высокочастотную область. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.