Частотно-селективный детектор на основе YBa2Cu3O7-x бикристаллического джозефсоновского перехода для субтерагерцовой Гильберт-спектроскопии

• Автор: Широтов, Вадим Викторович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 135 с. : ил.

1. Обзор литературы
1.1 Эффект Джозефсона
1.2 Основы теории Гильберт-спектроскопии
1.3 Выбор типа джозефсоновских переходов
для Гильберт-спектроскопии
1.4 Постановка задачи
2. Экспериментальные установки с частотно-селективным
джозефсоновским детектором
2.1 Введение
2.2 Базовый макет Гильберт-спектрометра
2.3 Схема электрических измерений
2.4 Аналоговая электроника для частотно-селективного
джозефсоновского детектора
2.5 Согласование излучения с джозефсоновским переходом
внутри макета частотно-селективного джозефсоновского детектора
3. Основные экспериментальные результаты
3.1 Вольт-амперные характеристики и частотно-селективные отклики
джозефсоновских переходов
3.2 Исследование динамического диапазона по мощности
частотно-селективного джозефсоновского детектора
3.2.1 Введение
3.2.2 Теоретические оценки
3.2.3 Экспериментальная установка
3.2.4 Экспериментальные результаты и их анализ
3.3 Измерение широкополосных спектров
от стационарного источника
3.3.1 Введение
3.3.2 Анализ неселективных механизмов детектирования на джозефсоновском переходе
3.3.3 Экспериментальная установка
3.3.4 Оценка возможности работы со стационарным

источником широкополосного излучения малой мощности.
3.3.5 Характеризация частотных свойств сеточных фильтров с помощью Гильберт-спектроскопии.
3.3.6 Измерение широкополосных спектров пропускания и поглощения веществ с помощью Гильберт-спектроскопии.
3.4 Исследование работы частотно-селективного джозефсоновского детектора с импульсным излучением.
3.4.1 Введение.
3.4.2 Демонстрация работы скоростного макета Гильберт-спектрометра с импульсным излучением.
3.5 Исследование когерентного переходного излучения с помощью Гильберт-спектроскопии.
3.5.1 Введение.
3.5.2 Уточнение задачи.
3.5.3 Измерение спектра широкополосного переходного излучения от релятивистских пучков электронов.
Основные результаты.
Перспективы развития Г ильберт-спектроскопии.
Приложение 1.
Ссылки.
Благодарности.

Спектроскопия - один из разделов физической оптики и всей физической науки, посвященный исследованию спектров электромагнитного излучения. Она начинает свою историю с ХУШ-Х1Х веков, с первых экспериментальных подтверждений Ньютоном (1643-1727) и Френелем (1788-1827) волновой теории света Гюйгенса (1629-1695). С тех пор, спектроскопия распространилась на всю область существования электромагнитных колебаний - от радиоволн до гамма-излучения.
В наше время, спектроскопия (спектральный анализ) стала одним из очень удобных, широко распространенных и очень точных методов исследования и получения новых знаний практически во всех естественных областях науки (физика, химия, биология, астрономия, геология и мн. др.). Не смотря на длительный период развития, и благодаря большому интересу со стороны различных областей науки, спектроскопические методы продолжают активно развиваться и совершенствоваться. Основными направлениями развития спектроскопии являются поиск новых методик получения спектральной информации, а также поиск и исследование характеристик новых приемных устройств.
Наряду с постоянно присутствующим интересом к получению новых спектроскопических данных в различных областях, на процесс развития спектроскопии оказывали и оказывают свое воздействие различные трудности, имеющие физический и технический характер. Так длительное время оставалась сложной и неудобной для спектрального анализа область электромагнитного спектра, включающая в себя субтерагерцовый (0,1 1 ТГц) и терагерцовый (1 10 ТГц) диапазоны частот [1, 2].
Этот диапазон соответствует максимуму спектральной плотности теплового излучения с эффективной температурой источника от 300 до нескольких Кельвин. Поэтому разница эффективных температур естественных источников и приемных устройств, которая характеризует соотношение сигнал/шум, не может быть очень большой. Это положение усугубляется еще и фоновыми шумами, которые характеризуются также близкими температурами. В то же время, использование в качестве источников объектов с более высокой эффективной температурой связано с решением проблемы избавления от более мощного более высокочастотного излучения. В связи с этим, субтерагерцовый и терагерцовый диапазоны частот, вплоть до второй половины XX века, представлялись довольно экзотическими, несмотря на то, что в приграничных областях (СВЧ и ИК диапазоны) различные спектроскопические методики применялись с достаточным успехом.

по схеме с ’’кросс-модуляцией” и предназначенный для работы с 8 - мм СВЧ сигналами. С учетом формального (по выражению самих авторов) критерия для мощности насыщения, авторы этой работы в своих теоретических оценках величины ДД получили значение < 40 дБ. А по их косвенным экспериментальным данным эта величина составляла около 20 дБ.
Таким образом, вопрос о величине ДД частотно-селективного джозефсоновского детектора, можно считать, остался до конца не выясненным. С теоретической точки зрения не ясен физический смысл использованного формального критерия, а с экспериментальной - осталось не исследованным влияние электрических параметров ДП. Кроме того, осталась без внимания роль сигнала модуляции в отношении частотноселективного детектирования в использовавшейся схеме с ’’кросс-модуляцией”.
Обычно, в качестве количественной оценки верхней границы ДД предлагается использовать мощность насыщения, т.е. мощность внешнего сигнала, при которой амплитуда отклика детектора перестает расти. Этот критерий для частотноселективного джозефсоновского детектора соответствует мощности ~ 1,85 1С V. Однако, в силу особенностей частотно-селективного отклика ДП, в области мощностей, определенной этим критерием, будут наблюдаться сильные искажения при восстановлении спектра исходного сигнала. Эти особенности связаны с появлением резонансных особенностей, вызванных взаимодействием внутренней джозефсоновской генерации с гармониками внешнего сигнала. В книге [18] (§23.4) в качестве верхней границы ДД предлагается использовать условие равенства мощности максимального сигнала комбинационной частоты и мощности собственной генерации перехода. Этот критерий соответствует значению мощности « /с -Кс/10. Очевидно, что эти критерии теоретической оценки сильно различаются. Кроме того, остается непонятной связь этих критериев с точностью и искажениями результатов, получаемых при их соблюдении.
В связи с появлением мощных источников излучения субтерагерцового и терагерцового диапазонов (например газовых лазеров [44]) и с тенденцией использования для характеризации их излучения частотно-селективного джозефсоновского детектора [110, 67, 69, 70, 72 - 76], вопрос о величине ДД стоит очень актуально. Так в работе [75] из-за использования данного детектора с очень сильным излучением лазера были сделаны ошибочные выводы об открытии новых линий в спектре излучения этого лазера. На самом деле, за отклики на новые линии были приняты особенности в отклике ДП, образовавшиеся из-за взаимодействия джозефсоновской генерации с сигналами на комбинационных частотах, образовавшимися от раннее известных очень мощных линий излучения данного лазера.