Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЕОЗЕФСО-НОВСКИМ КОНТАКТОМ.
1.1. Эффект Джозефеона 10
1.2. Джозефсоновский контакт как детектор 13
1.3. Характеристики джозефсоновских детекторов 20
1.4. Обзор экспериментальных работ по селективному и широкополосному детектированию 25
1.5. Постановка задач 29
ГЛАВА 2. СЕЛЕКТИВНЫЙ ПРИЕМНИК С "КРОСС-МОДУЛЯЦИЕЙ".
2.1. Практические схемы селективных приемников 32
2.2. Соотношение основных частот 37
2.3. Отклик контакта на ПЧ 39
2.4. Источники шумов в селективном приемнике 41
2.5. Прохождение сигнала через резонансный трансформатор 45
2.6. Пороговая чувствительность приемника, анализ результатов и оптимизация 47
ГЛАВА 3. ОТКЛИК СЕЛЕКТИВГОГО ПРИЕМНИКА.
3.1. Зависимость ширины входной полосы приемника от параметров контакта, частоты воздействующего сигнала и степени согласования контакта с СВЧ трактом. . 50
3.2. Разрешающая способность приемника 56
3.3. Отклик селективного приемника на СВЧ сигналы с различным спектром 58
3.4. Влияние скорости сканирования на форму отклика 66
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СЕЛЕКТИВНОГО РЕЖИМА
ДЕТЕКТИРОВАНИЯ.
4.1. Описание макетов селективных приемников и установки для исследования их характеристик 70
4.2. Измерение параметров приемника 78
4.3. Результаты экспериментов 79
4.4. Обсуждение результатов и выводы 92
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ШИРОКОПОЛОСНОГО РЕЖИМА ДЕТЕКТИРОВАНИЯ.
5.1. Зависимость отклика радиометра от напряжения смещения на контакте 95
5.2. Влияние фонового излучения на характеристики контакта и радиометра 106
5.3. Основные характеристики радиометра 114
5.4. Стабилизация режима работы джозефсоновского детектора в модуляционном радиометре 125
5.5. Испытание радиометра на радиотелескопе РТ-25х2 131
5.6. Обсуждение результатов, выводы 136
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 138
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 141
- Эффект Джозефеона
- Практические схемы селективных приемников
- Зависимость ширины входной полосы приемника от параметров контакта, частоты воздействующего сигнала и степени согласования контакта с СВЧ трактом.
- Описание макетов селективных приемников и установки для исследования их характеристик
- Зависимость отклика радиометра от напряжения смещения на контакте
Эффект Джозефеона
При переходе материала в сверхпроводящее состояние часть его электронов образует связанные состояния, которые получили название куперовских пар. Куперовские пары подчиняются статистике Бозе, так как имеют нулевой суммарный спин. Поведение куперовских пар строго коррелировано между собой. При этом состояние всей совокупности куперовских пар описывается одной комплексной волновой функцией, носящей название параметра порядка [20] , Эффект Джозефеона происходит в сверхпроводящих структурах, так называемых слабосвязанных сверхпроводниках f2l] , содержащих узкую ( в направлении протекания тока) область, в которой сверхпроводимость подавлена. Через такую структуру, вследствие интерференции волновых функций массивных участков ( электродов ) сверхпроводящей структуры, проникающих в область с подавленной сверхпроводимостью, становится возможным протекание сверхтока,т.е. тока, не создающего падения напряжения на участке слабой связи. Величина его J5 оказывается зависящей от разности фаз у? - ](, - У этих волновых функций:; где 1с критический ток структуры, зависящий от свойств материалов сверхпроводников и участка с подавленной сверхпроводимостью, температуры и геометрии структуры [22,23J .
Практические схемы селективных приемников
Известно несколько схем селективных приемников, которые отличаются друг от друга способом сьема сигнала с контакта.
В первой схеме джозефсоновский контакт облучается модулированным СВЧ сигналом с частотой модуляции СОм (СОм 100-1000 Гц ), ток смещения задается от регулируемого источника постоянного тока, а отклик снимается на частоте модуляции низкочастотной схемойfl4]. (Модуляция СВЧ сигнала необходима для того, чтобы уйти от шума типа I/f контакта и усилителя) . Зависимость отклика от напряжения смещения для контакта, имеющего относительно узкую полосу генерации Н , показана на рис.2.2,в. В районе ступеньки отклик имеет характерную "нечетно-резонансную" форму [14]:
Вторая схема приемника отличается от первой тем, что в ней к постоянному току через контакт добавляется низкочастотный сигнал с частотой Шм достаточно малой амплитуды,т.е.осуществляется модуляция положения рабочей точки на ВАХ контакта.
Зависимость ширины входной полосы приемника от параметров контакта, частоты воздействующего сигнала и степени согласования контакта с СВЧ трактом
При использовании селективного приемника в качестве анализатора спектра в нем, как и в большинстве спектральных приборов, спектральное распределение выходного сигнала отличается от истинного спектрального распределения входного сигнала. Для определения истинного спектрального распределения необходимо иметь сведения об искажающих свойствах приемника. Характеристикой их служит аппаратная функция приемника CL(w) , устанавливающая связь между входным lp(u ) и выходным f(u ) спектральными распределениями и представляющая собой отклик приемника на монохроматический входной сигнал [92].
Отклик селективного приемника возникает в результате взаимодействия джозефсоновской генерации с внешним сигналом, поэтому вид аппаратной функции, а соответственно, и ширина входной полосы приемника, в основном будет зависеть от формы линии джозефсоновской генерации и будет определяться следующими факторами:
а) характеристиками самого контакта,
б) влиянием низкочастотных наводок,
в) влиянием внешней СВЧ системы,
г) влиянием фонового излучения,
д) величиной амплитуды ПЧ сигнала( см.раздел 2.3 ).
При джозефсоновской генерации конечная линия образуется из-за действия низкочастотных флуктуации, независимо от их происхождения Гп]. Первоначально рассмотрим автономный контакт.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СЕЛЕКТИВНОГО РЕЖИМА
ДЕТЕКТИРОВАНИЯ
Описание макетов селективных приемников и установки для исследования их характеристик
Конструкция макета приемника 8 мм диапазона. СВЧ часть приемника была выполнена в виде отрезка волновода сечением 7,2x3,4 мм длиной около 80 см. На погружаемом в жидкий гелий конце волновода была закреплена детекторная секция (рис.4.1). Верхний конец волновода был впаян в латунную капку, на которой были закреплены предварительный усилитель ПЧ, разьем для подключен ния системы задания тока и микровольтметра для контроля напряжения на контакте, регулятор контакта и защитный корпус(рис.4.2).
Как следует из результатов развитой выше теории, для предотвращения дополнительных шумов (раздел 2.2) индуктивность LR цепи контакта должна быть достаточно мала (ft /GO ). Для снижения Ьд и улучшения согласования импеданса контакта с импедансом волновода, детекторная секция была выполнена в виде трехсекцион-ного четвертьволнового трансформатора П-типа. Джозефсоновский контакт образовывался в последней секции четвертьволного трансформатора, волновое сопротивление которого, согласно расчетам, в точке включения контакта должно быть равно 60 Ом.
Зависимость отклика радиометра от напряжения смещения на контакте
Для выбора рабочей точки детектора радиометра необходимо знать зависимость его отклика от напряжения смещения, уровня флуктуации и частоты воздействующего сигнала J. . Теоретически эти зависимости рассчитаны только для контакта, подчиняющегося резистивной модели, при воздействии монохроматического СВЧ сигнала (глава I, рис.1.2) . Характеристики же реальных точечных контактов при больших сопротивлениях( Лд, 100 Ом) отличаются от предсказываемых резистивной моделью.
Обычно методика приготовления контакта заключается в следующем. Игла затачивается механическим или химическим способом путем травления в смеси кислот. Мишень контакта полируется механически и также протравливается кислотамиГ7б]. При такой методике приготовления контакта острие иглы имеет микровыступы размерами -0,ІмкМ и покрыто окисной пленкой адсорбированных газов, такую же структуру имеет и поверхность мишени. Поэтому при прижатии электродов вероятность получения контакта с единственным проводящим участком весьма мала. Как показано в работе Г 37], при слабом прижатии электродов происходит упругая деформация микровыступов без разрушения окисной пленки. Это приводит к возникновению между электродами контакта нескольких туннельных переходов, ток проводимости в которых обусловлен туннельным квазичастичным током. Сопротивление такого контакта велико (ftw I кОм) , критический ток отсутствует. При увеличении степени прижатия электродов происходит пластическая деформация микровыступов, ведущая к частичному разрушению окисной пленки и образованию проводящих каналов - микрозакороток, в которых происходит нестационарный эффект Джозефсона ( т.е. возникает джозефсоновская генерация ). Соответствующим образом изменяется ВАХ контакта: на ней появляются особенности при V = А/е, V =2А/е, где А - ширина энергетической щели сверхпроводника, и избыточный по отношению к закону Ома ток 1 при V 2 А /е. Дальнейшее увеличение степени давления иглы на мишень вызывает увеличение площади закороток, в связи с чем происходит уменьшение сопротивления контакта до десятков См, возникновение заметного критического тока, увеличение избыточного тока[іІ4] . Вместе с тем на ВАХ контакта сохраняется особенность, связанная с наличием туннельного квазичастичного механизма проводимости при V =2 А/е. Таким образом, реальный контакт можно представить как параллельное соединение туннельного перехода и микрозакороток.
