Разработка и оптимизация малошумящих сквидов постоянного тока

• Автор: Кириченко, Дмитрий Евгеньевич
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 130 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ.
ГЛАВА 1. Сквиды постоянного тока и их основные характеристики
1.1. Сквиды постоянного тока и системы на их основе
1.2. Уравнения динамики сквида постоянного тока
1.3. Оценка величины внутренних шумов сквида постоянного тока
1.4. Регистрация выходного сигнал сквида постоянного тока
ГЛАВА 2. Сквид постоянного тока для сканирующего микроскопа
2.1. Конструкция сквида постоянного тока для сканирующего магнитного микроскопа
2.2. Технология изготовления
2.3. Автоматизированный измерительный стенд
2.4. Результаты измерений, электродинамическая модель и ее оптимизация
ГЛАВА 3. Базовая модель сквида постоянного тока и ее модификации
3.1. Принципиальная схема и конструкция предусилителя для емкостного датчика
3.2. Экспериментальные характеристики предусилителя для емкостного датчика и их анализ
3.3. Предусилитель для микроболометра
3.4. Предусилитель для детектора на фазовом переходе
ГЛАВА 4. Схемы связи сквида постоянного тока с источником входного сигнала
4.1. Планарный входной трансформатор ПТ сквида
4.2. Схема согласования с двумя интегральными трансформаторами
ГЛАВА 5. Добротности комбинированных микрополосковых линий сверхпроводник/нормальный металл
5.1. Конфигурация комбинированных микрополосковых линий
5.2. Методика численных расчетов
5.3. Результаты численных расчетов
5.4. Влияние взаимной индуктивности между нормальными и сверхпроводящими областями на добротность
5.5. Влияние проводимости нормального материала на добротность
5.6. Оценка низкочастотного шума, создаваемого комбинированной микрополосковой линией
ГЛАВА 6. Электродинамическая модель планарного трансформатора
6.1. Описание модели
6.2. Результаты расчетов
6.3. Сравнение с экспериментальными результатами
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

Глава 1. Введение.
1.1. Сквиды и системы на их основе.
Первой областью, в которой криогенная электроника позволила создать устройства с рекордными значениями полезных параметров, явилось измерение магнитного потока и электрических величин, которые можно в него преобразовать. Такими устройствами стали сначала одноконтактные интерферометры, а в дальнейшем- двухконтактные интерферометры (ПТ сквиды). В настоящее время системы на основе ПТ сквидов применяются для сверхчувствительных измерений относительно низкочастотных сигналов.
Наиболее низкочастотные устройства представлены, в основном, магнитометрами и градиентометрами [1, 2], которые работают с магнитными полями в диапазоне частот от долей герц до единиц килогерц. Такие магнитометры нашли применение в медицинских биомагнитных измерениях [3, 4, 5], геофизике [6, 7], сверхнизкочастотной связи. Сквид-усилители тока и напряжения работают в диапазоне от долей герц до единиц мегагерц, обладают рекордной чувствительностью и применяются в уникальных сверхчувствительных экспериментах [8, 9, 10]. На частотах от единиц герц до единиц гигагерц ВЧ усилители на основе ПТ сквидов имеют шумовую температуру от долей до единиц Кельвина и являются самыми малошумящими и наименее энергоемкими усилителями. Такие усилители находят применение в ЯМР измерениях, в качестве усилителей ПЧ сверхпроводниковых супергетеродинных приемников на вК переходах, усилителей базовых станций систем сотовой связи и т.д. [11-15].
Несмотря на существенное различие конструкций и разнообразие решаемых задач упомянутые системы основаны на двухконтактных интерферометрах и, следовательно, могут быть сравнены по общей для них характеристике - внутренней энергетической чувствительности интерферометра Уровень энергетической чувствительности широко

варьируется в зависимости от рабочей температуры сквидов, использованных материалов и особенностей конструкции. У лучших ПТ сквидов на основе низкотемпературных сверхпроводников независимо от назначения она составляет от единиц до сотен Й (постоянная Планка, 1.06-10'34 Джхс) при рабочих температурах 0.1-4.2 К, приближаясь к квантовому пределу чувствительности.
Также существенное значение имеет качество связи ПТ сквида с источником входного сигнала. Как правило, входной сигнал в форме электрического тока поступает в ПТ сквид через входную катушку, индуктивно связанную с контуром сквида. Получившийся трансформатор характеризуется взаимной индуктивностью М и коэффициентом связи к2. Вводится энергетическая чувствительность, приведенная ко входу ес = е/к2 (связанная чувствительность).
На низких частотах входной импеданс ПТ сквида с входной катушкой носит, преимущественно, индуктивный характер. Поэтому во многих случаях импеданс источника низкочастотного электрического сигнала оказывается существенно выше входного импеданса ПТ сквида. В этих условиях важной характеристикой ПТ сквида становится его входная токовая чувствительность. Для достижения высокой токовой чувствительности требуется увеличивать взаимную индуктивность входной катушки и контура ПТ сквида. При фиксированной индуктивности контура ПТ сквида такое увеличение приводит к увеличению числа витков входной катушки.
Создание одновременно высокочувствительных и хорошо связанных с источником сигнала сквидов является достаточно сложной задачей. Введение в низкошумящий ПТ сквид цепей связи с источником сигнала приводит к резкому усложнению структуры ПТ сквида. При этом сверхпроводящие элементы структуры ПТ сквида образуют высокодобротные распределенные резонансные структуры, которые возбуждаются колебательными процессами, происходящими в ПТ сквиде [16, 17]. Возникающие паразитные резонансы
Рис. 7. Фрагменты интегральной схемы с ПТ сквидом первого каскада предусилителя для гравитационной антенны: а) общий вид ПТ сквида с секциями входного трансформатора (показана масштабная метка 500 мкм), б) увеличенный вид ПТ сквида, показана версия без распределенной системы подавления резонансов (указан масштаб 100 мкм).
Цифрами обозначены: 1 - ПТ сквид, 2 - конденсатор СХ, 3 - контур одной секции входного трансформатора (входная спиральная катушка удалена для простоты), 4 - входная спиральная катушка входного трансформатора, 5 -разрез контура секции трансформатора, разрез закрыт сверхпроводящей пленкой для снижения индуктивности, 6 - вырезы в контуре секции входного трансформатора для ослабления резонансов его структуры, 7 - квадрат резистивной пленки в окне контура, 8 - джозефсоновские контакты, 9 -шунтирующий резистор джозефсоновского контакта, 10 - контур одного из планарных трансформаторов ПТ сквида, 11 - входная катушка ПТ сквида, 12 -резистор КХ.