Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Первой областью, в которой криогенная электроника озволила создать устройства с рекордными значениями полезных параметров, явилось змерение магнитного потока и электрических величин, которые можно в него преобразовать, акими устройствами стали сначала одноконтактные сквиды (Сверхпроводящие КВантовые интерференционные Датчики), а в дальнейшем- двухконтактные сквиды постоянного тока IT сквиды). В настоящее время системы на основе ПТ сквидов применяются для зерхчувствительных измерений относительно низкочастотных сигналов.
Наиболее низкочастотные устройства представлены, в основном, магнитометрами и эадиентометрами, которые работают с магнитными полями в диапазоне частот от долей герц о единиц килогерц. Такие магнитометры нашли применение в медицинских биомагнитных змерениях, геофизике, сверхнизкочастотной связи. Сквид-усилители тока и напряжения аботают в диапазоне от долей герц до единиц мегагерц, обладзют рекордной увствительностью и применяются в уникальных сверхчувствительных экспериментах. На астотах от единиц герц до единиц гигагерц ВЧ усилители на основе ПТ сквидов имеют іумовую температуру от долей до единиц Кельвина и являются самыми малошумящими и аименее энергоемкими усилителями. Такие усилители находят применение в ЯМР змерениях, в качестве усилителей ПЧ сверхпроводниковых супергетеродинных приемников на [S переходах, усилителей базовых станций систем сотовой связи и т.д.
Создание одновременно высокочувствительных и хорошо связанных с источником игнала сквидов является достаточно сложной задачей. Введение в низкошумящий ПТ сквид епей связи с источником сигнала приводит к резкому усложнению структуры ПТ сквида. При том сверхпроводящие элементы структуры ПТ сквида образуют высокодобротные аспределенные резонансные структуры, которые возбуждаются колебательными процессами, роисходящими в ПТ сквиде [1]. Возникающие паразитные резонансы резко ухудшают арактеристики ПТ сквида вплоть до невозможности его использования по назначению.
Резонансы структуры ПТ сквида являются основным фактором, затрудняющим азработку высокочувствительных практических устройств. Их подавление до приемлемого ровня является сложной задачей, решить которую тем сложнее, чем более высокие арактеристики ПТ сквида необходимо достичь. Не существует какого-либо одного решения. Іри разработке системы на основе ПТ сквидов проблему борьбы с резонансами структуры еобходимо решать комплексно, начиная от выбора оптимальной конструкции ПТ сквида и ончая дополнительными деталями его конструкции. При этом выбор конструкции ПТ сквида есно связан с назначением системы как целого, требованиям к характеристикам ПТ сквида, а ак же с возможностями доступной технологии изготовления спроектированного устройства.
!
В настоящей работе рассматриваются некоторые решения, подтверждении' теоретически и экспериментально и успешно примененные при разработке низкошумящих ГГ сквид-усилителей НЧ электрических сигналов в полосе частот от постоянного тока до единш мегагерц. На основе этих решений удалось создать базовую модель ПТ сквида, обладающей хорошей связанной чувствительностью (порядка десятков h, постоянных Планка, npi температуре 4.2 К в зависимости от деталей конструкции). Разработанная базовая моделі обладает большой гибкостью и легко адаптируется к широкому кругу различных практически) применений. При разработке базовой модели было придано значение не только снижени) внутренней чувствительности ПТ сквида, но и сохранению высокого коэффициента связи Ш сквида с входной индуктивностью при возможных модификациях. Специальное внимание былс уделено подавлению резонансов сложной сверхпроводящей конструкции ПТ сквида. Е частности, была предложена и подробно исследована новая реализация распределение? системы подавления высокочастотных резонансов трансформаторной структуры ПТ сквида.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью настоящей работы являегся анализ электродинамическю свойств ПТ сквидов, выполненных по планарной тонкопленочной технологии, в диапазоне частот от постоянного тока до частот джозефсоновских колебаний в контуре сквида, у разработка на основе результатов анализа ряда конструкций ПТ сквидов, обладающих ка» высокой внутренней чувствительностью, так и эффективной связью с источниками электрических сигналов.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Впервые с целью расширения рабочего диапазона температур к оптимизации чувствительности сквидов всесторонне исследованы свойства микрополосковых линий (МПЛ) с составным проводником, состоящим из нормального металла и сверхпроводника, в области геометрических параметров МПЛ, характерных для интегральных конструкций сквидов постоянного тока. Показано, что вследствие диссипации высокочастотных электрических колебаний в нормальном металле проводника таких линий возможно существенное снижение их добротности по сравнению с традиционными полностью сверхпроводниковыми МПЛ.
Впервые показано, что использование микрополосковых линий с составным проводником для формирования входной катушки сквида постоянного тока позволяет снизить добротности паразитных резонансных мод сквида.
Впервые разработана электродинамическая модель сквида-микромагнетометра сканирующего магнитного микроскопа.
Впервые в России разработана и исследована экспериментально схема сквида для мшсромагнитометра, используемого в сканирующем магнитном микроскопе, с характеристиками: чувствительность по магнитному потоку 2 мкФ^Гц112 чувствительность, по магнитному полю 40 пТлІГц"2 на частотах выше 300 Гц, пространственное разрешение 15 мкм.
Найдены оптимальные технологически конфигурации МПЛ с составным проводником, зволяющие достичь снижения их добротности в 200 и более раз по сравнению с адиционными полностью сверхпроводниковыми МПЛ.
В результате применения МПЛ с составным проводником в конструкции сквидов істоянного тока достигнуто снижение добротности резонансных мод сквидов в 10 раз, что дтверждено как анализом на основе теоретической модели сквида постоянного тока, так и зультатами экспериментальных исследований характеристик разработанных и изготовленных видов. Дана оценка низкочастотного шума, вносимого МПЛ с составным проводником в 'Нтур сквида, составляющая для типичной конструкции сквида около Ш7 Ф!п в единицах ігнитного потока при температуре 4.2 К, что не превышает 10% от собственного шума сквида.
Предложен ряд методов, позволяющих оптимизировать характеристики схемы сквида >стоинного тока с дополнительным планарным трансформатором входного сигнала. На основе сложенных решений разработана базовая модель сквида постоянного тока, «дназначенного для усиления электрических сигналов. Разработанная модель обладает тьшой гибкостью и может быть легко согласована с различными источниками входного ігнала и адаптирована в соответствии с различными требованиями к входным іракгеристикам сквида. На основе базовой модели разработаны различные сквид-усилители веющие входную индуктивность в диапазоне от 2 нГн до 40 мкГн, входную токовую /вствительность от 50 фА/Гц1'2 до 4 пА/Гц'/: и внутренней чувствительностью от 25 до 40 эстоянных Планка h при температуре 4.2 К, и от ЮфЛ/Гц /2 до 800 фА/Гц"2 и внутренней /вствительностью от 1.2 до 2 постоянных Планка h при 0.2 К. Экспериментально измеренные ірактеристики сквидов находятся в хорошем согласии с результатами теоретических расчетов з электродинамическим моделям, что подтверждает эффективность предложенных методов жжения добротности паразитных резонансных мод сквидов постоянного тока, кспериментально показано, что шумы сквидов в энергетических единицах линейно снижаются понижением температуры сквидов в диапазоне от 4.2 К до 1.2 К без существенного :таточного значения.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы докладывались на следующих энференциях:
-
Международная конференция по прикладной сверхпроводимости (Applied Superconductivity Conference) в 1996 г. (г. Питсбург, США);
-
Европейская конференция по прикладной сверхпроводимости (European Conference on Applied Superconductivity) в 1997 г. (г. Твенте, Нидерланды);
-
Международная конференция по прикладной сверхпроводимости (Applied Superconductivity Conference) в і 998 г. (г, Палм Дезерт, США);
4. Европейская конференция по прикладной сверхпроводимости (European Conferenci on Applied Superconductivity) в 1999 г. (г. Барселона, Испания).
ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты проведенных исследований опубликованы в 7-м? печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из шести глав и заключения. Общий объем работы составляет 130 страниц. Она содержит 45 рисунков, 2 таблицы и список цитируемой литературы из 106 названий.
Похожие диссертации на Разработка и оптимизация малошумящих сквидов постоянного тока
