Введение к работе
Актуальность
Среди многообразных следствий эффектов Джозефсона
выделяется возможность осуществления детектирования
электромагнитного излучения с помощью слабых связей. Первые
широкополосные детекторные устройства, использующие эффекты
Джозефсона, выявили их уникальные возможности в мм и субмм
диапазонах волн. В виду низкой стабильности используемой
слабой связи они эпизодически использовались для проведения
радиоастрономических наблюдений. Однако есть и другие области,
где применение широкополосных приемников является весьма
эффективным. В частности, детекторные радиометры могут быть
успешно использованы для решения задач дистанционного
зондирования подстилающих поверхностей (суши, мирового океана
и т.д.). Именно здесь использование многоэлементных и
многоканальных высокочувствительных джозефсоновских
детекторных радиометров дает возможность получения принципиально новой информации, обнаружения тонких эффектов, существенного уточнения уже имеющихся данных, установления взаимосвязи между ними. Гарантом этого является высокая чувствительность джозефсоновских радиометров, превышающая соответствующий параметр других приемных устройств, причем особенно важной оказывается возможность ее реализации в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах волн. Создание многоэлементных приемных устройств в этих диапазонах позволит решать задачи радиовидения, получать информацию от объекта изучения в масштабе реального времени, в отличие от аналогичных систем со сканирующей диаграммой направленности. К настоящему времени известен ряд работ, посвященных созданию сверхпроводниковых многоэлементных приемников мм диапазонов волн, которые, как следует из публикаций, являются лабораторными образцами, предназначенными для отработки принципов их построения.
Предпосылкой к началу разработки многоэлементных джозефсоновских радиоприемных устройств мм и субмм диапазонов волн послужило создание высококачественных пленочных торцевых джозефсоновских переходов (ТДП) с заданными электрофизическими характеристиками.
Вопросам изучения электрофизических свойств ТДП, их
взаимодействия с электромагнитным излучением и
электродинамической системой, а также созданию приемников различных диапазонов волн на одиночных ТДП посвящено значительное число работ. Однако, полученный при этом опыт не может быть автоматически перенесен на разработку многоэлементных приемных систем. И главной причиной этого является необходимость постановки новых радиофизических задач, отсутствующих в радиометрах на одиночных элементах. Основными из них являются: исследование эффективности взаимодействия СВЧ сигнала мм и субмм диапазонов волн с многоэлементной матрицей ТДП; определение величины электромагнитного взаимодействия нескольких ТДП, одного из них как высокочувствительного детектора электромагнитного излучения и второго - как генератора при нестационарном эффекте Джозефсона, находящихся в единой электродинамической системе; поиск оптимальных источников сигналов калибровки и подшумливания; оптимального способа модуляции для достижения максимальной чувствительности приемного устройства.
Цель работы .
Настоящая диссертационная работа посвящена
экспериментальному исследованию: свойств собственной генерации торцевых джозефсоновских переходов; изучению процесса детектирования электромагнитного излучения мм и субмм диапазонов волн сверхпроводниковым нелинейным элементом в схеме радиометра с управляемой вольт-амперной характеристикой (ВАХ), под воздействием управляющего сигнала (УС); созданию модели и исследованию радиофизических характеристик многоэлементного приемного устройства на джозефсоновских переходах в субмм диапазоне волн.
Научная новизна определяется следующими впервые полученными результатами:
1. Экспериментально обнаружена и исследована нелинейная зависимость мощности излучения джозефсоновской генерации ТДП при взаимодействии с другим ТДП, находящимся в единой электродинамической системе с первым.
2. Экспериментально доказано, что эффект повышения чувствительности джозефсоновского детектора в режиме с управляемой ВАХ является следствием подавления его собственной
генерации под воздействием управляющего сигнала; определена оптимальная величина коэффициента подавления критического тока, в зависимости от величины флуктуации и относительной частоты, для достижения максимальной флуктуацнонной чувствительности.
3. Исследованы спектральная плотность флуктуации
низкочастотного напряжения джозефсоновского перехода при
сильной электромагнитной связи с электродинамической системой в
присутствии еще двух ТДП, а также динамические характеристики
откликов и поляризационные свойства сверхпроводниковой Nb-Si-Nb
микросхемы с тремя ТДП в зависимости от одновременного режима
работы по постоянному току каждого из них.
-
Экспериментально определена оптимальная величина электромагнитного взаимодействия двух ТДП, генераторного и детекторного, находящихся в единой электродинамической системе, в зависимости от их режима работы по постоянному току.
-
Предложен способ модуляции для многоэлементных приемных устройств на джозефсоновских переходах при детектировании немодулированного электромагнитного излучения мм и субмм диапазонов волн.
6. Разработаны методики определения величины диссипации
СВЧ сигнала в ТДП, величины мощности управляющего сигнала для
достижения максимальной чувствительности детектора с
управляемой ВАХ.
Практическая ценность работы:
-
Показано, что разработанные методики и измерительные стенды, в которых в качестве сверхмалошумящего усилителя низкой частоты используется СКВИД постоянного тока, позволяют проводить измерения характеристик джозефсоновской генерации ТДП с точностью -(10-20)%.
-
Измерены величины шумовой температуры собственной генерации ТДП в зависимости от режима работы по постоянному току, при этом установлена возможность использования ТДП в качестве генератора управляющего сигнала, а также источников сигнала калибровки и подшумливания для детекторного радиометра на ТДП.
3. Экспериментально определены условия достижения максимальной чувствительности джозефсоновского детектора с управляемой ВАХ.
-
Предложен способ поканальной модуляции для многоэлементных приемных устройств на джозефсоновских переходах,
-
Создана модель и экспериментально исследованы радиофизические характеристики восьмиэлементного радиометрического приемника на ТДП, что позволяет показать один из возможных вариантов создания систем радиовидения.
На зашиту выносятся следующие положения:
-
Мощность излучения собственной генерации дожозефсоновского перехода в электромагнитную систему, согласованную с другим переходом, имеет нелинейную зависимость, определяемую относительной частотой излучения и добротностью электромагнитной системы.
-
Повышение чувствительности джозефсоновского детектора в режиме с управляемой вольт-амперной характеристикой определяется мощностью управляющего сигнала, и является следствием подавления собственной генерации джозефсоновского перехода при малых значениях флуктуации.
3. Спектральная плотность флуктуации низкочастотного
напряжения джозефсоновского перехода, в составе трехэлементной
сверхпроводниковой микросхемы, и отклик на воздействие
электромагнитного сигнала, являются линейной функцией его
электромагнитной связи с другими переходами.
4. Величина электромагнитного взаимодействия двух ТДП,
находящихся в единой электродинамической системе, определяется
их режимом работы по постоянному току при малых значениях
флуктуации.
5. В многоэлементных приемных системах на ТДП, при детектировании немодулнрованного электромагнитного излучения мм и субмм диапазонов волн, для достижения предельной чувствительности, оптимальным способом модуляции является работа каждого детектора в режиме с управляемой ВАХ под воздействием управляющего сигнала.
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 5 статьях, 3 авторских свидетельствах на изобретение и 3 тезисах докладов.
Апробация. Основные результаты работы докладывались на семинарах в Московском педагогическом государственном университете, Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН, ГНИЦ "Айсберг", на семинарах по прикладной сверхпроводниковой электронике и биомагнетизму
("Жукин-XVH", "Жукин-XVIH") в институте кибернетики им. В.М. Глушкова НАН Украины, ГосНИЦ "ФОНОН", на международных конференциях по прикладной сверхпроводимости в Чикаго (США) в 1992 г., Геттингене (Германия) - 1993 г., Орландо (США) - 1994 г., SPAI - Киев 1995 г., ISRAMT - Киев 1995 г.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем диссертации составляет 160 страниц печатного текста, 46 рисунков, 5 таблиц, 1 фотографии, списка литературы из 128 наименований.
