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 в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.