Физическая энциклопедия Том 4 - Порохов А.М.
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 3. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) джа-зефсоновского перехода с непосредственной проводимостью. Сплошная кривая — BAX без действия излучения, штриховая кривая — BAX при действии излучения, штрихпунктир — нагрузочная кривая. Ic — критический ток, AV — изменение напряжения под действием излучения.
Воздействие излучения (с частотой /) сводится в осн. к понижению критич. тока Ic и появлению вертикальных ступеней прн напряжениях Vn — nhf/2e (п — целое число, соответствующее номеру ступени). Ступени на BAX обусловлены нелинейным взаимодействием в переходе колебаний тока — собственных (джозефсо-повских) я наведённых внеш. излучением. В режиме квадратичного детектирования ДП включается в цепь с заданным током и при понижении Ic происходит изменение напряжения на ДП AV, к-рое и регистрируется как отклик приёмника. Для малых амплитуд наведённого тока T <к Ic величина отклика AV оо T7-.
В случае низких частот AV определяется кривизной BAX и не зависит от частоты. Этот случай тождествен случаю обычного классич. детектирования излучения -нелинейным элементом. В области высоких частот ве- 443
СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ
СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ
444
личина отклика пропорциональна дифференц. сопротивлению Rd ДП и обратно пропорциональна р. Для смещений вблизи ступеньки отклик резонансным образом зависит от /, т. е. является селективным. В основу конструкции квадратичных детекторов положена схема обычного модуляц. радиометра, а в качестве ЧЭ чаще всего используется сверхпроводящий точечный контакт, смещение на к-ром задаётся в максимуме Rd. В области высоких частот (/ — 100—200 ГГц) лучшие нз полученных значений Pn достигают IO-14—IO-15 Вт/Гц’Ч Спектральная область чувствительности детекторов простирается до ~1000 ГГц, прн этом, однако, Pn ухудшается с ростом /.
В гетеродинных приёмниках излучения нелинейность BAX ДП используется для смещения поступающего сигнала с частотой / с сигналом внеш. гетеродина /г и с дальнейшим усилением по промежуточной частоте /п = J/ — /г|. Общая схема приёмника аналогична обычным гетеродинным приёмникам с нелинейным смесительным элементом (см. Радиоприёмные устройства). Наилучшая эффективность преобразования частот получается при задании смещения на ДП в точке максимума Rа (обычно между 0 и F1 — первой ступенькой). Чувствительность приёмника со смесителем зависит от величины шума, добавляемого при преобразовании частоты сигнала к /п, и обычно характеризуется соответствующей шумовой температурой Tn, Сильная нелинейность BAX н наличие в ДП собств. генерации создают условия для преобразования «вниз» по частоте не только полезного сигнала, но и мн. ВЧ-компонентов шума. В результате, как показывают теория и эксперимент, Tn смесителя на основе ДП в десятки раз превышает его физ. темп-ру. Частотная область использования смесителей с ДП составляет 30—500 ГГц. Для частот ~100 ГГц наименьшее достигнутое значёйие Tn равняетск «100К. Как квадратичные детекторы, так и гетеродинные приёмники на основе ДП широко не применялись. Причина этого в недостаточной стабильности свойств обычно используемых в них сверхпроводящих точечных контактов и в повыш. уровне шума. Вместе с тем по своим возможностям они в ВЧ-области (100—1000 ГГц) превосходят, по-внднмому, приёмники, основанные на Шоттки эффекте и одночастичных туннельных переходах (см. Туннельный эффект).
В туннельных переходах сверхпроводник — изолятор — сверхпроводник (СИС) при напряжении смещения V — 2Д/<?, где Л — ширина эиергетич. щели сверхпроводника, начинается туннелирование отд. электронов, к-рому соответствует резкий рост тока через переход (рис. 4). Большая нелинейность BAX такого одно-
Pnc. 4. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) туннельного перехода сверхпроводник — изолятор — сверхпроводник. Сплошная кривая — BAX без действия излучения, штриховая кривая — BAX при действии излучения с частотой /.
частичного туннелирования может быть использована для прямого детектирования эл.-магн. излучения. Отклик приёмного элемента СИС в этом случае определяется как изменение тока через переход на единицу мощности падающего излучения. В случае низких частот отклик пропорционален крутизне ВАХ, а прн частотах hf > SV, где бV — ширина области роста тока вблизи энергетич. щели, предельное значение от-
клика соответствует квантовому пределу hfJe. По, _ вая чувствительность Pn такого детектора ограничена ется шумом той а смещения. В квантовом пределе ІС/ пропорциональна иорню квадратному нз числа нов, поглощённых за время, соответствующее оС иой ширине полосы детектора, и вызывающих из» ние тока в детекторе, равное ср. шумовому току, стигнутое значение Pn = 2,6-10-19 Вт/Гц'/t для ча ты 36 ГГц очень близко к квантовому пределу н явфй ется иаилучшнм для детекторов миллиметрового до пазона. В комбиннров. туннельном переходе сверхщ водник — изолятор — нормальный металл было осуществлено детектирование излучения с частотами ss600 ГГц, величина отклика прн этом также бым близка к квантовому пределу.
Резкая нелинейность BAX переходов СИС испога?' зуется для создания смесителей миллиметрового дя& пазона. Первоначально СИС использовался только км нелинейное сопротивление по схеме обычного классик смесителя. В этом режиме для туннельного переході Pb(Bi) были получены малые потерн преобразованш («2 дБ), а шумовая темп-ра 3 ± 4 К (иа частей «36 ГГц). Позднее теоретически и эксперименталй! бмло показано, что в результате происходящего в щ процесса туннелирования, сопровождаемого поглOBjjj^ нием фотонов падающего излучения, hf > бV, выход* нон импеданс может принимать очень большие зиа%, ння и даже становиться отрицательным. Подобные щ фекты наблюдаются при смещении, несколько меод шем 2Д/«, и в этом случае преобразование сигналі может осуществляться с большим усилением. Реалиад^ ция больших усилений на практике приводит к н&» устойчивой работе приёмника. Поэтому иаиб. выгодным оказался режим работы с таким усилением, ирі к-ром шумовая темп-ра усилителя промежуточен! частоты, пересчитанная к смесителю, соответствуя уровню шумовой темп-ры смесителя Tm. В таком р6Я№ ме на оловянной СИС с крутой BAX при усилени| «4 дБ удалось достичь значений Tn = 9 ± 6 К дм частоты 36 ГГц. Смесители на основе СИС получили до» вольно широкое распространение н на практике пр#. меняются разл. варианты их конструкций. Частотная область нх использования 30—300 ГГц. Значение Tg близко к квантовому пределу hfjk и по этому параметру СИС-смесителн превосходят и смесители на основ! джозефсоновскнх переходов и на основе эффекту Шоттки. По своей чувствительности они достигли урові ня мазеров, будучи вместе с тем более высокочастотны^ ми и широкополосными, чем последние. Частотный диапазон СИС-смеснтелей со стороны высоких частої ограничивается шунтирующим действием собств. ём: кости перехода и возрастанием вклада дополнит, (джозефсоновского) шума с увеличением частоты. Дцй повышения рабочих частот перспективным являете! использование сверхпроводящих материалов с высоко* критической температурой.
