Введение к работе
Актуальность темы. Создание высокочувствительных малошумя-ших приемников СВЧ-излучения миллиметрового (ММ) и субмиллиметрового (СММ) диапазонов дліш волн представляет интерес для радиоастрономии, геофизики, пассивной и активной радиолокации, связи, экологии (дистанционное зондирование атмосферы, суши и водной поверхности) и т. д.
Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что в этом диапазоне длин волн наиболее чувствительными являются приемные устройства на основе сверхпроводящих переходов, работающих при температуре жидкого гелия, в частности широкополосные детекторы на основе даозефсоновских точечных контактов и смесители на сверхпроводниковых туннельных структурах (SIS -переходах) [1-3].
Однако приемники с точечными дкозефсоновскими контактами не получили широкого распространения из-за неудовлетворительной стабильности и воспроизводимости характеристик. точечных контактов. Что касается туннельных переходов, то они не могут быть эффективно использованы в широкополосных детекторных приемниках из-за большой собственной емкости, компенсация которой приводит к сужению входной полосы.
Для практических применений в СВЧ-приемниках наиболее предпочтительны дшзефсоновские переходы, изготавливаемые по тонкопленочной технологии, которые можно объединить на одной подложке с антеннами, фильтрами и согласующими элементами.
Перспективные по своим эксплуатационным качествам являются разработчике и изготовленные в НИИ ФП 4] тонкоплекочные торцевые дкозефсоновские переходы из тугоплавких материалов Nb/a-Si/Nt), работающие, при температуре кипения жидкого гелия, которые обладают, как выяснилось при первых ке экспериментах, такими достоинствами, как стабильность характеристик при многократных термоциклированиях, достаточно высокие значения характерного напряжения и матів величины емкости, что указывает на возможность создания на их основе высокочувствительных при-
имников электромагнитного излучешія.
После открытия высокотемпературных сверхіфоводников в 1986 г. и сообщений о проявлениях в них эффекта Джозефсона возник интерес к оценке возможности создания высокочувствительных СВЧ-приешгаков на основе элементов из этих, сверхпроводников. Использование детекторов из ВТСП-материалов позволяет упростить консгрукции приемников и удешевить их эксплуатацию за счет перехода от "гелиевых" к "азотным" рабочим температурам, что расширяет область их применения и открывает возможность создания принципиально новых приемных устройств. Согласно теоретическим оценкам 151, минимально обнаружимая мощность широкополосного детекторного приемника на основе ВТСП-элементов на частоте 100 ГГц может достигать величины порядка 1.10 Вт/Гц *" при температуре кипения азота, что' сравнимо с чувствительностью детекторов, работающих при гелиевой температуре. Максимальная рабочая частота таких приемников должна быть на порядок выше (>10 ТГц), чем частота приемников с дао-аофсоновскими элементами из низкотемпературных сверхпроводников, за счет большей величини энергетической щели.
В связи с этим актуальными являются экспериментальные исследования детектирующих свойств различных джозефсоновских переходов как из низкотемпературных, гак и высокотемпературных сверхпроводников и оценка перспектив создания на их основе ши-]юкополосных высокочувствительных приемников миллиметрового диапазона.
Цель работы. Основными задачами данной диссертационной работы являются:
I. Экспериментальное исследование электрических, шумовых и детектирующих свойств тонкопленочных торцевых джозефсоновских переходов Nb/a-Sl/Nb, работающих при температуре кипения жидкого гелия, и тонкошіеночіщх мостиков из высокотемпературных сверхпроводников. Выяснение природы слабых связей, влияния температуры, постоянного магнитного поля, электромагнитного излучения на характеристики переходов, выяснение механизмов детектирования СВЧ-излучения. Определение возможности исполь-
зоваїшя их в качества дотанторов з приемниках и радиомэтрах миллиметрового диапазона длин волн.
-
Теоретическое и экспериментальное исследование характеристик детекторов из последовательно соединенных даозвфсоновских переходов, установление допустимых пределов разброса параметров отдельных переходов для получения максимальной чувствительности в широкополосном и селективном рокимах детектирования, определение возможности их использования в качестве чувствительных элементов СВЧ-приемников.
-
Создание макетов приемников, учитывающих особенности детектирующего элемента, и исследование их характеристик как в лабораторных условиях, так и при работе на радиотелескопе.
Научная новизна определяется следующими наиболее вакными из полученных результатов.
-
Экспериментально показано, что тонкопленочные торцевые переходы Nb/a-Si/Nb являются стабильными джозефсоновскими переходами с непосредственной проводимостью, обладающими низким уровнем собственного шума и високої! чувствительность» к СЗЧ-излученив, что позволяет реализовать в миллиметровом диапазоне длин волн детекторы с пороговой чувствительностью не хуке, чем 5.10_15Вт/Гц1/2 на частотах 30^38 ГГц и З.І0"І4Вт/ТцІ/2 на частотах 53-5-78 ГГц .
-
Создан н испытан на радиотелескопе РТ-25«2 макет широкополосного радиометра 4-мм диапазона с детектором на основе торцового дзгозефсоновского перехода с флуктуеционной чувствительностью аг=0,01 К при т=1 с, наилучшей для данного диапазона длин волн.
-
.Для детекторов ка основе цэпочек из последовательно со-единеншх дкозефссновских переходов теоретически определены требования к параметрам, переходов для достикеняя максимального отклика на СВЧ-излучение при широкополосном и селективном режимах детектирования.
-
Экспериментально подтверждено существование дкозефсонов-ского механизма детектирования СВЧ-излучения в мостиках, выполненных из шлихристэллических и монокристаллическил пленок
високотемпературного сверхпроводника YBagCUgO,^. Показана ьивможность создания на их основе высокочувствительных джозеф-соновских детекторов миллиметрового диапазона длин волн, рабо-тньицик при азотном охлаждении.
Практическая значимость работы определяется тем, что
проведены детальные экспериментальные исследования электрофизических, детектирующих и шумовых свойств торцевых дкозефсо-иовских переходов (ТДП), показавшие возможность использовашш их в качество высокочувствительных стабильных детекторов в широкополосных приемниках Ш диапазона.
разработан и создан макет радиометра 4-ми диапазона с детак-тиром на основе ТДП, показавший высокую чувствительность н стабильность характеристик при испытаниях на радиотелескопе РТ-25.2.
експериментально исследованы характеристшси тонкопленочных мостиков из высокотемпературных сверхпроводников в зависимости от температуры, величина магнитного поля, частоты и мощности СВЧ-излучешш ММ диапазона. Показана возмошость создавши на их основе приємних устройств, работающих при температуре кіше-ння жидкого азота.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на V Всесоюзной конференции "Флуктуационные явления в физических системах", (Паланга, І9Ш г); XIII и XIV Семинарах но прикладной свэрхпроводниковой электронике, (Киев, 1988 г., 1933г.); XVII Всесоюзной конференции "Радиоастрономическая аппаратура", (Ереван, 1985 г.); II Всесоюзной конференции по высокотемпературной сверхпроводимости, (Киев, 1989 г.); Международной конференции по БТСП (КИТ, Бейинг, 1989 г.); VII Всесоюзной научной конференции "Проблемы магнитных измерения и магнитонзмерителыюа аппаратуры" (Ленинград, 1989г.); Менду-народной конференции по пршиїедаой сверхпроводимости (Сноумасс 199[ г.); VI Гормоно-Русско-Украинском семинаре по высокотемпературной сверхпроводимости (Дубна, 1993 г.).
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 19 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой літератури из 100 названий. Общий объем работы 150 страниц. Она содержит 30 рисунков и 2 твблицы.