СВЕРХПРОВОДНИКИ В ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВАХ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ

В 60-х годах прошлого столетия конструкторы подошли к пределу возможностей радиоэлектроники, принципиально достижимому в обычном интервале температур. Стали появляться работы по устройствам, например, охлаждаемым на уровне температур жидкого гелия, усилителям, где рассматривались вопросы по термостабилизации, в том числе с высокой степенью стабильности. Одновременно решались проблемы снижения уровня собственных шумов, которые должны были быть ниже заданных значений (шумовая температура ниже 10 К).

Появилось название криогенная электроника или криоэлектроника [4.2], стимулом к ее развитию является высокочувствительная радиоприемная аппаратура быстродействующих электронных вычислительных машин. Появились попытки создания ЭВМ на сверхпроводящих элементах [4.10]. Криоэлектроника изучает особенности поведения электронных компонентов и материалов при низких температурах, в том числе сверхпроводящих. В них используются эффекты Джозефсона и создаются приборы различного назначения на их основе. Некоторые из сверхпроводящих электронных устройств мы рассмотрим ниже.

4.1. Болометры

Название болометр произошло от греческих слов bole – бросок, луч и metreo – измеряю, т.е. это прибор для измерения лучистой энергии, воздействие которой изменяет электрическое сопротивление его чувствительного элемента (ЧЭ).

4.1.1. Принцип работы

Принцип действия болометра основан на изменении величины сопротивления ЧЭ под действием лучистой энергии, которую он обнаруживает или измеряет, т.е. болометр представляет собой устройство, реагирующее на нагрев ЧЭ, вызванный падающим излучением. Чувствительность болометра определяется рядом факторов. Количество тепла, которое вызывает нагрев ЧЭ, определяется как

Q = cmΔT, (4.1)

где- с – удельная теплоемкость, m – масса ЧЭ, ΔT – температура нагрева. Здесь мы не учитываем диссипируемую тепловую энергию. Из (4.1) следует, что для одного и того же по величине нагрева ЧЭ ( т.е. ΔT –const) у разных приборов, например, можно понизить нижний порог значений падающей энергии, для этого следует заметно уменьшить массу ЧЭ, например, до m ~ 10^-5 г или подобрать материал с малой удельной теплоемкостью. В соответствии с законом Дебая [4.3]

С_v= , (4.2)

где θ_Д= - характеристическая температура Дебая, ω_Д – максимальная частота, ограничивающая спектр нормальных колебаний сверху, k – постоянная Больцмана, N – число атомов.

Видно, что С_v зависит только от температуры ЧЭ в степени три (~Т³). В области температур, близких к абсолютному нулю С_v ,также стремится к нулю. Снижение С_v вызывает уменьшение постоянной времени прибора, что оказывает решающее влияние для выбора типа приборов, с помощью которых осуществляется поиск излучающих объектов. Понижение рабочей температуры способствует уменьшению температуры шумов ЧЭ, а значит, повышается чувствительность прибора в целом, что является положительным фактором. Как и в ранее рассмотренных устройствах (главы 2 и 3), здесь рабочий уровень температур – температура жидкого гелия, которая оказывается экономически целесообразной.

В этой области температур у целого ряда материалов наблюдается сверхпроводимость. Если выбрать сверхпроводящие материалы ЧЭ, у которых критическая температура перехода близка к рабочей температуре, то небольшая по величине падающая энергия может вызвать переход из сверхпроводящего в нормальное состояние. Вспомним, что ширина этого перехода у чистых сверхпроводников составляет 10^-3÷10^-4 К, а скачек сопротивления – более 20 порядков, т.е. электрический сигнал U = I × R при N-S переходе составляет заметную величину. Конечно, необходимо установить неизменный по величине транспортный ток, а также исключить влияние внешнего магнитного поля.

4.1.2. Характеристики

Работа болометра характеризуется рядом параметров, среди которых выделим коэффициент поглощения излучения, постоянную времени, порог чувствительности и динамический диапазон. Рассмотрим каждый из них.

Коэффициент поглощения излучения (ε) определяет чувствительность приемника и его спектральные свойства. В болометрах излучение поглощается тонким слоем сверхпроводящего материала. Этот чувствительный слой – пленка обладает проводимостью, которая в нормальном состоянии имеет величину σ_n, магнитную проницаемость μ, толщину d, и которая не зависит от длины волны излучения, пока толщина пленки меньше глубины скин- слоя^*

Чем выше частота ω поля, при прочих равных условиях (μ, σ_n), тем сильнее вихревое электрическое поле (по уравнениям Максвелла), создаваемое переменным магнитным полем. Если выше проводимость сверхпроводника в нормальном состоянии или обычного металлического материала σ_n, тем больше плотность тока и, следовательно, рассеиваемая в единице объема мощность. Глубина скин- слоя δ величина, обратнопропорциональная коэффициенту затухания α :

. (4.3)

В сверхпроводник (идеальный проводник) электромагнитные волны не проникают, а полностью от него отражаются. Например, в медь с σ_n = 580 кСм/см, μ=1 при частоте 50 Гц волны проникают (уравнение 4.3) на глубину 9,4 мм; в сталь с σ_n = 100 кСм/см, μ = 10³ на δ = 0,74 мм.

^*названия скин-эффект, скин- слой происходят от англ. skin – оболочка, т.е. поверхностный слой, где происходит затухание электромагнитных волн по мере их проникновения в глубь проводящего материала, где возникают вихревые токи и часть электромагнитной энергии преобразуется в теплоту.

Коэффициент поглощения зависит от активного сопротивления пленки, отнесенной к квадрату ее поверхности R_ڤ

ε = , (4.4)

где g = , Z_o - импеданс свободного пространства (377 Ом). Для случая g = 2 имеем R_ڤ = ~ 188 Ом и коэффициент поглощения имеет максимум равный 0,5.

Допустим, энергия фотона ε = hν меньше ширины энергетической щели сверхпроводника, тогда последний остается в сверхпроводящем состоянии: его проводимость бесконечно велика, величина скин - слоя – ничтожно мала (4.3), при этом падающая волна полностью отражается от него. Если же энергия фотона увеличивается до hν >> 2Δ (например, ИК – диапазон излучения), то глубина скин- слоя возрастает – становится сравнимой с толщиной пленки и практически достигает значения поглощения в нормальном металле. В этом случае коэффициент поглощения определяется выражением (4.4) до некоторого граничного значения длины волны падающего излучения λ_г (например, у олова длинноволновая граница λ_г ~ 1 мм и, следовательно, его пленка должна иметь минимальную толщину скин- слоя > 250 Å на длине волны λ = 4 мкм). Действительно, в сверхпроводящих болометрах в ИК – области спектра геометрические параметры пленок близки к рассчитанным.

В большинстве сверхпроводящих болометров излучение поглощается самой сверхпроводящей пленкой, поэтому для получения максимального поглощения она должна быть высокоомной: в нормальном состоянии ее R_ڤ равным 188 Ом. Однако с увеличением сопротивления пленки в нормальном состоянии сверхпроводящий переход уширяется, а температурный коэффициент поглощения падает. Для преодоления этой трудности был разработан болометр с выделенной мишенью или так называемый составной болометр [4.6]. В нем излучение поглощается мишенью - диэлектрической подложкой, на которую нанесена металлическая пленка, где и выделяется тепло, локально повышается температура, измеряемая микротермометром, находящимся в тепловом контакте с мишенью.

Постоянная времени – промежуток времени τ, в течение которого величина переходного процесса изменяется в е раз. Другими словами, τ- это параметр, характеризующий объект (чувствительный элемент и т.д.), в котором происходят изменения его выходной величины при ступенчатом изменении входного сигнала. Если эти изменения происходят по экспоненте, то геометрический смысл постоянной времени представляет длину отрезка асимптоты, который отсекает касательная, проведенная к экспоненте в начальный момент времени t = 0.

Физический смысл постоянной времени: представляет собой то время, через которое выходная величина – сигнал, который появляется на выходе чувствительного элемента (в данном случае с момента появления входной величины измеряемого сигнала), достиг бы своего конечного значения, если бы он изменялся с постоянной скоростью равной скорости ее изменения в начальный момент [4.7].

Что касается сверхпроводящего болометра, охлаждаемого сверхтекучим гелием, то его можно рассматривать как объект с сосредоточеннымипараметрами, характеризующимися одной постоянной времени

τ = , (4.5)

где С – удельная теплоемкость материала ЧЭ, G_эфф= G – I²α R_б – эффективный коэффициент тепловых потерь (теплопотерь), G – коэффициент теплопотерь, I – ток смещения, R_б – сопротивление в рабочей точке, α = γ R_б^-1 – температурный коэффициент сопротивления, γ = - крутизна N – S перехода.

Выражение (4.5) справедливо для изотермических болометров, составных болометров и быстродействующих болометров, работающих в сверхтекучем гелии. Для измерения предельно малых потоков излучения величину G необходимо сделать как можно меньше, что в основном и определяет диапазон быстродействия (10^-1÷10^-3c). Это требование вызывает минимизацию величины удельной теплоемкости ЧЭ за счет подбора материала подложки.

Важными здесь являются процессы теплопереноса от пленки в жидкий гелий и в подложку. В нормальном жидком гелии болометр ведет себя как система с распределенными параметрами, а значит, ее нельзя описать одной постоянной времени во всем диапазоне частот. В случае контакта пленки болометра с жидким сверхтекучим гелием из-за малого теплового сопротивления на границе пленка-гелий тепло отводится от ЧЭ в основном в гелий, где тепловые волны распространяются без затухания. Такой болометр работает как система с сосредоточенными параметрами и характеризуется одной постоянной времени, соответствующей выражению (4.5), где G – коэффициент теплопотерь, обусловленный сопротивлением Капицы на границе пленка-гелий.

Расчетная постоянная времени для выбранного болометра из олова при толщине пленки d = 300Å при температуре 2К (сверхтекучий гелий) составляет τ = 10,5 нС.

Порог чувствительности измерительного прибора – наименьшее значение измеряемой величины, которую можно обнаружить с помощью прибора. Как правило, у сверхпроводящих болометров измеряемое излучение модулируется, поглощается ЧЭ болометра и усиливается. Порог чувствительности такого болометра в полюсе пропускания усилителя Δf = 1Гц можно записать

(4.6)

где k – постоянная Больцмана, σ – постоянная Стефана-Больцмана, æ_λ- коэффициент пропускания, Ω- угол зрения, Т_б- температура ЧЭ болометра, Т_ф- температура фона (ограничена холодным фильтром), Т_э- температура холодных экранов, А – площадь ЧЭ, S – вольт- ваттная чувствительность (см. выражение 4.12).

В уравнении (4.6) первый член обусловлен флуктуациями излучения самого чувствительного элемента с соответствующими температурами (Т_б,Т_ф, Т_э) элементов, его окружающих. Порог чувствительности идеального теплового приемника обусловлен только флуктуациями излучения фона, поэтому представляет интерес два предельных состояния сверхпроводящих болометров: 1) приемник воспринимает фон и 2) он защищен от фона.

Итак, случай 1: А = 1 мм², ε = 0,5, Т_б = 4К, Т_ф = 290К, æ_λ = 1, Ω = π. При этом мощность фона, поглощенная болометром, составляет εАσТ_ф⁴ = 2 · 10^-4Вт, а порог чувствительности найдем из выражения (4.6) Ф_ф = . В таких условиях могут работать только быстродействующие болометры с большим коэффициентом теплопотерь, что позволяет выдерживать большие фоновые нагрузки.

Случай 2: параметры неизменны А = 1 мм², ε = 0,5 у него Т_б = Т_э= 4К, æ_λ→0, Ω→ 0. Обычно он реализуется в болометрах в субмиллиметровом и миллиметровом диапазонах при малом угле зрения. Порог чувствительности ограничен и равен Ф_ф = 1,6 · 10^-16Вт · Гц ^-1/2.

Относительно остальных слагаемых выражения (4.6) можно сказать следующее. Второе слагаемое обусловлено шумом Джонсона сопротивления болометра. Если вольт- ваттная чувствительность подчиняется выражению (4.12), то при ωτ<< 1 эта составляющая порога чувствительности равна

Ф_R= (4.7)

и не зависит от сопротивления, и целесообразность увеличения сопротивления диктуется соображениями оптимального согласования по шумам с предусилителем (последний член равенства 4.6).

Третий и четвертый члены связаны со случайным характером обмена посредством фононов, т.е. обусловлены температурными флуктуациями. Природа одних из них связана с наличием теплового контакта ЧЭ с массивным тепловым блоком из-за G (третий член), а также наличия в самой пленке своих тепловых флуктуаций, обусловленных теплопереносом. По спектральному составу он является типичным фликкершумом^* и проявляется в сверхпроводящих болометрах на твердой подложке в диапазоне частот 1 Гц – 100 кГц. На частоте 1 кГц он превышает тепловой шум в 10 раз. Из сравнения третьего и четвертого членов видно, что вклад температурного фликкер шума становится более весомым у болометров с большим коэффициентом теплопотерь.

_______________________________________________________

^*от англ. flicker – мерцание, т.е. медленные флуктуации электрических токов и напряжений в электронных приборах, обусловленные испарением ионов катода, их диффузией и другими процессами.

При наличии теплового шума выгодно использовать болометры на высоких частотах.

Пятый член уравнения (4.6) обусловлен избыточными шумами, связанными с флуктуациями температуры жидкого гелия и природой сверхпроводника. Шум болометров, погруженных в гелий (изотоп 4), в диапазоне 20 Гц ÷ 20 кГц имеет спектр 1/f ^α, где α = 2. При понижении температуры до 2 К под откачкой паров гелий переходит в сверхтекучее состояние и шум заметно уменьшается. Однако шум заметно возрастает из-за пузырькового кипения гелия как на стенках криостата, так и на болометре при плотности тепловой мощности больше 0,1 Вт ·см^-2. Если размещать болометр в вакуумной изоляции, то флуктуации температуры уменьшаются. В реальных болометрах не удается достичь предела, обусловленного флуктуациями излучения, особенно для длинноволновой области спектра. Здесь основными составляющими порога чувствительности остаются Ф_R и Ф_G, которые соотносятся между собой:

. (4.8)

Для среднего режима болометра, где в = 0,5, Т_б = 4 К, α = 10 К^-1, получим из уравнения (4.8) Ф_G² = 80 Ф_R², а это значит, роль шума Джонсона незначительна. Для наиболее совершенных болометров порог чувствительности ограничен шумом, обусловленным теплоотдачей, описываемой коэффициентом G, и он равен

Ф_n = В (А/τ)^1/2 , (4.9)

где В – постоянная величина.

Такая корреляция между Ф_n и постоянной времени τ из уравнения (4.9) является приближенной и служит для оценки чувствительности, так как порог чувствительности болометров лежит в пределах 10^-9 ÷10^-15 Вт Гц ^-1/2, а τ меняется в значительно больших пределах от 10^-1 до 10^-10 с. При этом В меняется незначительно: от 10^-13 до 10^-14 Вт·Гц^-1см^-1.

Динамический диапазон болометра определяется линейностью сверхпроводящего перехода. Приближенно его оценивают по следующей методике: полагают, что в пределах полуширины N-S перехода ΔТ/2 чувствительность существенно не меняется, а шум болометра, выраженный через флуктуации температуры, равен

(ΔТ²)^1/2 = Ф_nε/G. (4.10)

Динамический диапазон для Δf = 1 Гц с учетом выражения (4.10) равен

D = . (4.11)

В качестве примера рассчитаем его для чувствительного болометра, у которого ΔТ = 4 · 10^-3К, G = 2· 10^-8Вт К^-1, ε = 0,5 для Ф_n = 3,4· 10^-15Вт Гц ^-1/2. Из формулы (4.11) получим D ~ 2 ·10^-4. Для быстродействующего же болометра с ΔТ~ 0,4 К, G = 0,1· Вт· К^-1, ε = 0,5 и Ф_n = 10^-9Вт· Гц ^-1/2 динамический диапазон значительно шире ~ 4 ·10⁷.

4.1.3. Устройство

Первые болометры имели в качестве чувствительного элемента тонкие проволоки или фольги, т.е. обладали значительной инерционностью из-за заметной массы ЧЭ. Современные же болометры имеют в качестве ЧЭ тонкие пленки, а в отдельных случаях используются толстые пленки. В настоящее время развитие современных болометров идет по следующим направлениям:

- изотермические болометры;

- болометры с выделенной мишенью;

- мультивибраторные болометры;

- неизотермические болометры;

- быстродействующие болометры на твердой подложке, погруженные в жидкий гелий.

В целом ряде болометров в качестве чувствительного элемента, как мы отмечали, используются сверхпроводящие пленки. В качестве примера рассмотрим ЧЭ, изготовленный из пленки олова толщиной ~ 500 Å, которая нанесена на подложку из стекла толщиной 200 мкм. На рис.4.1 показана его схема. Пленка изготовлена не сплошной, а на ней по длине между электрическими выводами имеются прорези 5, что при небольшой длине пленки существенно увеличивает длину активной части проводника (на рисунке ток показан волнистой линией). Как видно из рисунка 4.1, б, число прорезей сверху составляет 18, а снизу 20 штук. Такая форма чувствительного элемента в виде змейки [4.4] позволяет получать начальное сопротивление до десятков тысяч Ом. Технологически ее можно изготовить путем напыления в вакууме через маску [4.5]. Саму маску, которая представляет собой пластинку со сквозными прорезями (через них проводят напыление металлических материалов), получают методом фотолитографии, вытравливая прорези так, чтобы пленка имела форму змейки.

Для того чтобы достичь однородности распределения температуры по всей пленке, ее приклеивают, как видно из рис. 4.1, а, на массивное медное основание 5. Такой чувствительный элемент болометра устанавливается в криостате, схема которого показана на рис. 4.2. В ванну с жидким гелием погружен трансформатор, с его помощью получают температуру 3,7 К, к которому крепится с помощью установочных элементов медное основание вместе с болометром 2. Болометр закрыт адиабатическим экраном, который поддерживает рабочую температуру ~ 3,7 К, при которой пленка олова находится в сверхпроводящем состоянии (Т_к = 3,7 К). В дне экрана напротив болометра располагается фильтр 4 из кристаллического кварца толщиной 0,5 мм и диаметром 1 мм. Далее располагаются и другие адиабатические экраны, которые поддерживают температуры на уровне 15 К, 60 К и, наконец, 300 К. Вдоль вертикальной оси, перпендикулярной болометру, в каждом экране установлены кварцевые фильтры пропорционально (по площади) большего диаметра, как видно из рисунка. Для снижения рассеяния лучистого потока между экранами применяются конусы 3.

Через объектив лучистой поток попадает на болометр, и если его тепловая энергия вызывает нагрев ЧЭ, при котором он переходит в нормальное состояние, то появляется электрический сигнал. Такие изотермические болометры из-за малого коэффициента тепловых потерь работоспособны в условиях низкого фона (меньше 10 мкВт), поэтому они нашли применение в длинноволновой части спектра (более 50 мкм). В них коротковолновое излучение устраняется холодными фильтрами, а также сужением угла поля зрения с помощью конусов, как видно на рис. 4.2.

4.1.3.1. Изотермические болометры

Отметим, что болометры в зависимости от конструкции и особенностей теплопередачи при низких температурах могут работать в

двух режимах: изотермическом и неизотермическом. В первом режиме температура сверхпроводящей пленки или фольги постоянна. Теплопроводность вдоль чувствительного элемента выше, чем между ним и твердой подложкой или ним и окружающим жидким гелием. При этом нагрев от джоулева тепла и фонового излучения мал. Выравнивание температуры происходит за счет теплообмена либо с жидким гелием, либо в материал подложки по всей поверхности ЧЭ равномерно. Вольт - ваттная чувствительность таких болометров описывается выражением

S = , (4.12)

где ε – коэффициент поглощения, α = γ R_р^-1 – температурный коэффициент сопротивления, γ = при S-N переходе, R_р – сопротивление в рабочей точке, G – коэффициент тепловых потерь, I – ток смещения, ω – круговая частота, τ - постоянная времени, в^* = I² γ·G^-1 – коэффициент тепловой неустойчивости.

Из анализа уравнения (4.12) следует: во-первых, необходимо выбирать сверхпроводники с большим значением величины γ, т.е. обладающих резким сверхпроводящим переходом, во-вторых, выбирать пленки с оптимальным сопротивлением в нормальном состоянии на квадрат (R_ٱ), в-третьих, для достижения предельного быстродействия необходимы пленки с малой теплоемкостью, как это следовало и при предварительном анализе, проведенном выше. Семейство температурных кривых перехода показано на рис. 4.3. Видно, что при изменении величины тока или магнитного поля в соответствии с фазовой диаграммой сверхпроводника можно смещать рабочую точку болометра. При больших токах смещения и выбранных условиях теплообмена между ЧЭ и окружающей средой можно реализовать неизотермический режим работы болометра. Неизотермический режим характеризуется наличием градиента температуры вдоль пленки из-за того, что тепловой поток встречает большее сопротивление в различных местах пленки по фронту. Например, на рис. 4.4, где дана картина распределения температуры, показан случай реализации подобной ситуации: центр пленки находится в нормальном состоянии, а ее концы – в сверхпроводящем. На границе между ними участки, находящиеся в промежуточном, устойчивом состоянии. При воздействии

падающего излучения происходит локальный нагрев пленки, при этом изменяется длина зоны нормального состояния, а следовательно, возрастает сопротивление болометра. Таким образом, рост сопротивления болометра происходит за счет увеличения длины резистивного участка пленки без изменения его удельного сопротивления. Температурная зависимость сопротивления болометра в неизотермическом режиме записывается в виде:

R_p= , (4.13)

где R_N – сопротивление пленки в нормальном состоянии, Т_к- критическая температура сверхпроводящей пленки.

Особенностью неизотермических болометров с точки зрения их эксплуатации является расширение температурного интервала чувствительности, что позволяет упростить стабилизацию температуры в рабочей точке.

Необходимо отметить, что деление болометров на изотермические и неизотермические носит условный характер, так как один и тот же болометр может работать в том или ином режиме в зависимости от тока смещения и мощности фона. В литературе это название закрепилось за болометрами, имеющими слабую тепловую связь с хладоагентом, для которых изотермический режим является более выгодным.

4.1.3.2. Болометры с выделенной мишенью

Болометры этого типа являются дальнейшим развитием высокочувствительных сверхпроводящих болометров. Один из известных вариантов показан на рис. 4.5. В нем основой мишени является тонкая пластина из сапфира 5, на одной стороне которой находится микрометр 6, выполненный из пленки алюминия размерами 4 х 0,25 мм и толщиной 1000 Å, которая во время работы находится в сверхпроводящем состоянии. На другой стороне – пленка из висмута 4, выполняющая роль поглотителя излучения. Мишень подвешена на двух растяжках из нейлоновых нитей 2, покрытых индием (Т_к = 3,7 К). Массивный медный блок 10 объемом 5 см³ при помощи штырей (расположены снизу перпендикулярно большей грани) крепится к дну емкости с гелием, который залит в криостат, подобный показанному на рис. 4.2. Постоянная времени этого устройства в области гелиевых температур составляет почти 20 сек, что является довольно большой величиной (удельная теплоемкость меди уменьшается с понижением до гелиевых температур на 2-3 порядка в зависимости от чистоты меди) и позволяет подавлять температурные флуктуации жидкого гелия. Высокая чувствительность болометра обусловлена низкой рабочей температурой (1,2 К), узким сверхпроводящим переходом ЧЭ (пленка алюминия) с ΔТ ~ 4 10^-3 К, высоким коэффициентом поглощения пленки висмута (~ 0,5) и малошумящей усилительной схемой (см. раздел 4.1.2.5). Практически достигнутый порог чувствительности Ф_n = 3,4 ·10^-15 Вт· Гц ^-1/2 на частоте модуляции 2 Гц был только на 30% меньше теоретического предела, обусловленного флуктуациями теплоотвода G.

Рассмотрим другой вариант болометра этого типа с микротермометром на основе эффекта Джозефсона пленочного типа, схема которого показана на рис.4.6. На подложку из сапфира 1 размерами 8 х 8 х 0,13 мм³ нанесена пленка из свинца 2 в виде полоски, на нее сверху напылен слой нормального металла 3 (сплав Си + Аl) и затем вновь слой сверхпроводящего свинца 4. Иногда применяется конструкция из трех слоев Nb –Cu + Al – Nb, т.е. всегда сверхпроводник – нормальный металл – сверхпроводник, которые и образуют джозефсоновский контакт. Электрические выводы джозефсоновских контактов 5 изготовлены из серебра. Такое устройство на сапфировой подложке, как и в конструкции на рис. 4.5, подвешено в данном случае на нейлоновых нитях 6 диаметром 15 мкм. Сопротивление этого болометра мало и составляет около 1 мкОм, поэтому для усиления сигнала применен сверхпроводящий квантовый измеритель магнитного потока (СКИМП). Последний включает трансформатор потока, контакт Джозефсона К и усилитель У.

В таком приемнике используется температурная зависимость критического тока контакта Джозефсона.

I_к = В· ехр - , (4.14)

где В – константа, Т_о~ 0,06 К для температуры Т < 0,5 Т_к. Если через контакт течет ток смещения I_с, то напряжение на контакте равно

U = R (I_c –I_к). (4.15)

Из уравнений (4.14) и (4.15) получаем

, (4.16)

где R – сопротивление контакта. Вольт- ваттная чувствительность определяется соотношением

S = . (4.17)

В этом болометре вольт- ваттная чувствительность составляет величину S = 3В·Вт^-1 при температуре Т=1,3 К. Из-за ее малости порог чувствительности хуже, чем для болометра с алюминиевым ЧЭ, кроме того, он ограничен шумами Джозефсона.

Болометры с выделенной мишенью, имеющие сравнительно большие приемные площадки (до 4 х 4 мм²) и чрезвычайно малый коэффициент теплопотерь (2· 10^-8Вт Гц^-1/2), способны работать при уровне фона меньше 1 нВт. Они предназначены для астрономических наблюдений в субмиллиметровой и миллиметровой областях спектра при малых телесных углах.

4.1.3.3. Мультивибраторные болометры

В работе [4.9] описан болометр, созданный на основе сверхпроводящего мультивибратора. Электрическая схема, поясняющая его работу, приведена на рис. 4.7. Основным элементом ее является сверхпроводящий тонкопленочный мостик 1, параллельно которому подключена обычная индуктивность L. Этот контур запитывается источником постоянного тока Е. После включения ключа К в цепи источника течет ток i_o . В случае, когда он намного превысит критическое значение i_к сверхпроводящего тонкопленочного мостика, последний переходит в нормальное состояние и, естественно, по закону Кирхгофа разветвляется на i₁ и i₂ в соответствии с соотношениями их сопротивлений R и R_N (R – сопротивление катушки индуктивности и R_N – сопротивление мостика в нормальном состоянии). Ток i₁ через мостик уменьшается, и происходит скачек в исходное сверх-

проводящее состояние. Частота повторения импульсов такого мультивибратора равна

υ , (4.18)

где L_s – индуктивность сверхпроводящего пленочного мостика.

Критический ток и соответственно частота мультивибратора зависят от температуры. Температурная зависимость частоты двух идентичных мультивибраторов приведена на рис. 4.8. Из нее следует, что Δυ/ΔТ~ 10⁵Гц К^-1 при Т = 4,2 К. Для снижения воздействий магнитных помех и флуктуаций температуры используют схему с двумя одинаковыми мультивибраторами, расположенными симметрично. Выходной сигнал с такого двойного мультивибратора пропорционален разностной частоте, которая является мерой поглощенного излучения. Это включение уменьшает влияние флуктуаций температуры на 2 порядка. Схема измерений включает монохроматор в области спектра до 40 мкм. Такой болометр имеет ряд недостатков: используемая геометрия приемного устройства (900 х 10 мкм²) неэффективна для широкого использования в ИК- диапазоне, уступает он другим болометрам и по обнаружительной способности.

4.1.3.4. Быстродействующие болометры на твердой подложке

Первые болометры этого типа использовались при исследованиях энергообмена в молекулярных пучках различных газов. Для многих газов сверхпроводящие пленки имеют коэффициент аккомодации, близкий к единице. В этой связи приборы могли иметь ЧЭ не в виде тонкой пленки, а толстой пленки (конденсата) с тем, чтобы обеспечить максимальное поглощение. Это значительно бы упростило задачу максимальной чувствительности, так как для более толстых пленок легче получить крутые переходы, а из-за большей теплоемкости ЧЭ уменьшается температурный фликкершум.

Рассмотрим схему болометра, показанную на рис. 4.9, предназначенного для регистрации молекулярных пучков. В нем чувствительным элементом служили конденсаты олова или индия.

Для лучшей тепловой стабильности рабочая температура понижалась методом откачки паров гелия до его перехода в сверхтеку-

чее состояние. Для поддержания рабочей температуры (3,7 К) применялся манганиновый нагреватель. Порог чувствительности лучших образцов был всего в два раза меньше расчетного, обусловленного флуктуациями коэффициента теплопотерь G, и составлял 2 · 10^-12Вт· Гц^-1/2, что соответствовало минимально обнаруживаемой интенсивности молекулярного пучка 10⁸ молекул с^-1Гц^-1/2.

Для использования конденсатов из олова с R_ٱ = 0,2 Ом/_ٱ коэффициент поглощения ИК - излучения должен был составлять 2%, поэтому при регистрации ИК - излучения болометры должны были иметь Ф_n= 10^-9Вт Гц^-1/2.

Толстая пленка 1 из олова нанесена на подложку из полированной окиси алюминия Al₂ O₃ 3 и имеет контакты из золота 2. Подложка механически крепится на алюминиевое основание 4 в виде цилиндра, в нем на токарном станке сделана поперечная проточка, в которую уложен нагреватель 5 из манганина. Это основание крепится при помощи резьбового соединения на латунный стержень 6. Вся эта конструкция закрывается сверху вакуумной камерой 7, герметизируется металлическими уплотнителями (на рис. не показаны) и погружается в ванну со сверхтекучим гелием 8 криостата 9.

В целом схема установки для изучения распределения энергии по величине внутренней степени свободы в молекулярных пучках показана на рис. 4.10. Основу ее составляет болометр 4, охлаждаемый сверхтекучим гелием, находящимся в криостате 6. Источником ИК- излучения служит перестраиваемый СО₂-лазер, генерирующий импульсы длительностью 1 мкс и частотой следования 20 Гц. При лазерной модуляции избыточная энергия, поглощенная молекулами SFв , регистрируется по мере их прихода на болометр в соответствии с энергетическим распределением в пучке. Если использовать болометр на основе гранулированных пленок алюминия с критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние от 1,2 К до 3,7 К, то теплоизолирующей прокладкой между пленкой и охлаждающим основанием служит стекло толщиной 1,5 мм, оно крепится к дну криостата с помощью индия. Это позволило получить τ = 6 10^-5с. Если же применялись сапфировые подложки, то τ уменьшилось до 10^-5с. В другом варианте болометра на твердой подложке сверхпроводящая пленка наносилась непосредственно на охлаждаемое основание, которое изготавливалось из диэлектрика с высокой теплопроводностью. Такая конструкция чувствительного элемента позволила получить малую по величине постоянную времени, имеющую 9-50 Нс, что совпадало с расчетным значением. Болометры этого типа находят применение при исследованиях тепловых процессов в твердых телах в области низких температур.

Рассмотрим конструкцию и принцип работы болометра для дальней ИК- области спектра [4.8]. Устройство прибора показано на рис.4.11. Оно состоит из криостата с болометром, предусилителя, расположенного на криостате, дискового модулятора на 12,5 Гц и блоков управления, где смонтированы усилительно-регистрирующая аппаратура, откачной пост и система маностатирования. Таким образом, основу установки составляет чувствительный элемент (рис. 4.11, а), которым служит пленка олова 1 (критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние Т_к=3,72 К), имеющая размеры 1 х 10 мм² и толщину 1000 Å. Пленка напылена в вакууме при давлении 5· 10^-5Тор на подложку 2 из слюды мускавит толщиной 1 – 2 мкм. Края подложки приклеиваются к основанию 4, изготовленному в виде цилиндра из латуни с помощью клея БФ-4. Для обеспечения электрического контакта наносятся оловянные перемычки поверх клея. На это основание наматывались два нагревателя по 30 Ом, и оно устанавливалось в гелиевом криостате, защищалось экраном от тепловых лучей. На гелиевый экран крепятся два светодиода из арсенида галлия, необходимые для контроля за неизотермическим состоянием болометра. С целью исследования влияния магнитного поля на чувствительность болометра использовался сверхпроводящий соленоид, обмотка которого имела 1100 витков сверхпроводящего провода типа 65БТ. Внутренний диаметр соленоида 2 см, а его длина (высота) – 3 см. Соленоид устанавливался таким образом, чтобы создаваемое им магнитное поле было перпендикулярно плоскости болометра, т.е. фактор размагничивания близок к единице.

В этой схеме для выхода болометра на рабочую точку использовался постоянный подогрев чувствительного элемента от источника постоянного тока, что обеспечивало подводимую мощность к нагревателю на уровне 4