Детектирование электромагнитного излучениямиллиметрового диапазона Джозефсоновскими переходами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ академия наук

ИНСТИТУТ ЗЕМНОГО МАГНЕТИЗМА, ИОНОСФЕРЫ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН

РГБ ОД

На правах рукописи

Матвеец Людмила Викторовна

Детектирование электромагнитного излучения миллиметрового диапазона

01.04.03 - радиофизика

Автореферат диссертации па соискание ученой степе/ш кандидата фиашсо-ягагсматнческих аауи

Москва 1994

Работа выполнена в Институте'земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН (ИЗМИРАН).

Научные руководители: академик РАН МИГУЛИН В.В.

кандидат физико-математических наук КУЛИКОВ В.А.

Офицлнлыше оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор ГУБАНКОВ В.Н. доктор физико-математических наук, ИЛЬИН В.А.

Ведущая организация: НИИ Я1> МГУ г. Москва.

Защита диссертации состоится " " 1994 г.

в 4 {_ часов на заседании Специализированного Совета К 002.83.01 Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН по адресу: 142092, г-Троицк, Московской области, ИЗМИРАН, конференц-зал. (Проезд автобусом N 531 от станции метро "Теплый стан" до остановки "ИЗМИРАН").

С диссертоцкей можно ознакомиться в библиотеке ИЗМИРАН.

Автореферат разослан " 4 " " 1994 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета, кандидат физико-математических наук

Ю.С.ОИШОВ.

I.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Создание высокочувствительных малошумя-ших приемников СВЧ-излучения миллиметрового (ШЛ ) и субмиллиметрового (СММ) диапазонов длин волн представляет Ш1терес для радиоастрономии, геофизики, пассивной и активной радиолокации, связи, экологии (дистанционное зондирование атмосферы, суши и водной поверхности) и т. д.

Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что в этом диапазоне длин волн наиболее чувствительными являются приемные устройства на основе сверхпроводящих переходов, работающих при температуре жидкого гелия, в частности широкополосные детекторы на основе даозефсоновских точечных контактов и смесители на сверхпроводниковых туннельных структурах (SIS -переходах) [1-3].

Однако приемники с точечными дкозефсоновскими контактами не получили широкого распространения из-за неудовлетворительной стабильности и воспроизводимости характеристик. точечных контактов. Что касается туннельных переходов, то они не могут быть эффективно использованы в широкополосных детекторных приемниках из-за большой собственной емкости, компенсация которой приводит к сужению входной полосы.

Для практических применений в СВЧ-приемниках наиболее предпочтительны дшзефсоновские перехода, изготавливаемые по тонкопленочной технологии, которые можно объединить на одной подложке с антеннами, фильтрами и согласующими элементами.

Перспективными по своим эксплуатационным качествам являются разработанные и изготовленные в НИИ ФП [4] тонкоплекочные торцевые дшзефсоновские перехода из тугоплавких материалов Nb/a-Si/Nb, работающие, при температуре кипения жидкого гелия, которые обладают, как выяснилось при первых ке экспериментах, такими достоинствами, как стабильность характеристик при многократных термоциклированиях, достаточно высокие значения характерного напряжения и малые величины емкости, что указывает на возможность создания на их основе высокочувствительных при-

имников электромагнитного излучения.

После открытия высокотемпературных сверхпроводников в 1986 г. и сообщений о проявлениях в них эффекта Джозефсона возник интерес к оценке возможности создания высокочувствительных СВЧ-приемников на основе элементов из этих, сверхпроводников. Использование детекторов из ВТСП-материалов позволяет упростить конструкции приемников и удешевить их эксплуатацию an счет перехода от "гелиевых" к "азотным" рабочим температурам, что расширяет область их применения и открывает возможность создания принципиально новых приемных устройств. Согласно теоретическим оценкам [5], минимально обнаружимая мощность широкополосного детекторного приемника на основе ВТСП-э'лементоь на частоте 100 ГГц может достигать величины порядка I.10 Вт/Гц при температуре кипения азота, что'сравнимо с чувствительностью детекторов, работающих при гелиевой температуре. Максимальная рабочая частота таких приемников должна быть на порядок выше (>10 ТГц), чем частота приемников с джо-аофсоновскими элементами из низкотемпературных сверхпроводников, за счет большей величины энергетической щели.

В связи с этим актуальными являются экспериментальные исследования детектирующих свойств различных джозефсоновских переходов как из низкотемпературных, так и высокотемпературных сьерх!гроводников и оценка перспектив создания на их основе ши-¡юкополосных высокочувствительны* приемников миллиметрового диапазона.

Цель работы. Основными задачами данной диссертационной работы являются:

I. Экспериментальное исследование электрических, шумовых и детектирующих свойств тонкопленочных торцевых джозефсоновских переходов Nb/a-Sl/Nb, работающих при температуре кипения жидкого гелия, и тонкопленоч1ШХ мостиков из высокотемпературных сверхпроводников. Выяснение природы слабых связей, влияния температуры, постоянного магнитного поля, электромагнитного излучения на характеристики переходов, выяснение механизмов детектирования СВЧ-излучешя. Определение возможности исполь-

зования их в качества детекторов в приемшпсах и радиомэтрах миллиметрового диапазона длин волн.

2. Теоретическое и экспериментальное исслодовагаю характеристик детекторов из последовательно соединенных джозефсоновских переходов, установление допустимых продолов разброса параметров отдельных переходов для получения максимальной чувствительности в широкополосном и селективном рехимах детектирования, определение возможности их использования в качестве чувствительных элементов СВЧ-приемников.

3. Создание макетов приемников, учитывающих особенности детектирующего элемента, и исследование их характеристик как в лабораторных условиях, так и ггри работе па радиотелескопе.

Научная новизна определяется следующими наиболее вякннми из полученных результатов.

1. Экспериментально показано, что тонкопленочные торцевые переходы Ш)/а-31/№> являются стабильными дагазефсоновскими не-реходвкм с непосредственной проводимостью, обладающими шккии уровнем собственного шума и высокой чувствительностью к СЗЧ-излучению, что позволяет реализовать в миллиметровом диапазоне длил волн детекторы с пороговой чувствительностью не хуне, чем 5.1СГ15Вт/Гц1/2 на частотах 30^38 ГГц и З.Ю"14Вт/Тц1/2 на частотах 53-5-78 ГГц .

2. Создан и испытан на радиотелескопе РТ-25«2 макет широкополосного радиометра 4-мм диапазона с детектором на основе торцового дзгозвфсоновского перехода с флуктуационной чувстви тельностью бГ-0,01 К при 1=1 е., наилучшей для данного диапазона длин волн.

3. .Для детекторов ка оспове цзпочек из последовательно соединенных дкозефссновских переходов теоретически определены требования к параметрам.переходов для доеттания максимального отклика на СВЧ-излучение при широкополосном и селективном режим ах детектирования.

4. Экспериментально подтверждено существование дкозефсонов-ского механизма детектирования СВЧ-излучения в мостиках, выполненных из поликрисгаллических и монокристаллических пленок

высокотемпературного сверхпроводника YBagCUgO,^. Показана возможность создания на их основе высокочувствительных дкозеф-соновских детекторов миллиметрового диапазона длин волн, рабо-тньяцих при азотном охлявдении.

Практическая значимость работы определяется тем, что

- проведены детальные экспериментальные исследования электрофизических, детектирующих и шумовых свойств торцевых дкозефсо-ковских переходов (ТДП), показавшие возможность использования их в качестве высокочувствителышх стабильных детекторов в широкополосных приемниках ММ диапазона.

- разработан и создан макет радиометра 4-ми диапазона с детак-тиром на основе ТДП, показавшиЯ высокую чувствительность н стабильность характеристик при испытаниях на радиотелескопе РТ-2Г)«2.

- экспериментально исследованы характеристшси тошсопленочных мостиков из высокотемпературных сверхпроводников в зависит,¡ости от температуры, величина магнитного поля, частота и моцностц СВЧ-нзлучешш МЫ диапазона. Показана возмозжость создания на их основе приемных устройств, работающих при температуре иша-ния жидкого азота.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на V Всесоюзной конференции "Флуктуициошше явления в физических системах", (Паланги, ISQ8 г); XIII и XIV Семинарах но прикладной свэрхпроводниковой электронике, (Киев, 1988 г., 1933г.); XVII Всесоюзной конференции "Радиоастрономическая аппаратура", (Ереван, 1985 г.); II Всесоюзной конференции по высокотемпературной сверхпроводимости, (Киев, 1989 г.); Международной конференции по БТСП (КИТ, Бейинг, 1989 г.); VII Всесоюзной научной конференции "Проблемы магшшшх измерения и магнитонзмерителыгай аппаратуры" (Ленинград, 1989г.); Мзвду-нородной конференции по прш<ледаой сверхпроводимости (Сноумасс 199[ г.); VI Горыано-Русско-Украинском семинаре по высокотемпературной сверхпроводимости (Дубна, 1993 г.).

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 19 работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы из 100 названий. Общий объем работы 150 страниц. Она содержит 30 рисунков и 2 таблицы.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цели работы, приведены основные положения, выносимые на защиту, кратко излагается структура и содеркание диссертации.

Первая глава "Эффект Дкозефсона л его применение для детектирования электромагнитного излучения" имеет обзорный характер. В начале главы кратко описан эффект Дкозефсона, рассмотрены типы джозефсоновоких элементов и модели для их описания.

Взаимодействие дкозефсоновского перехода с СВЧ-излучением приводит к изменению его вольтамперной характеристики (ВАХ), которое регистрируется как отклик перехода на СВЧ-излучение. С общим понижением ВАХ сЕязан широкополосный отклик, а с образованием ступени тока - селективный отклик, зависящий от частоты резонансным образом. Оцениваются параметры переходов, необходимые для создания на их основе высокочувствительных широкополосных приемников ММ диапазона.

Производится обзор работ по применению различных типов джозефсоновских переходов в приемниках ММ диапазона, анализируются их достоинства и недостатки. Особое внимание уделяется точечным контактам и гранулированним сверхпроводникам, исследование 'детектирующих свойств которых производилось в ИЗМИРАН.

Б конце главы на основе проведенного обзора обосновывается выбор цели исследования,, дана постановка задач, решаемых в диссертации.

Во второй главе "Исследование детектирующих свойств тонкопленочных торцевых переходов Ш)/а-31/МЬ" приведены результаты исследования вольтамперных характеристик торцевых джозефсоновских переходов (ТДП), зависимостей их дифференциального сопро-

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

тивг.'ния и шумового напряжения от напряжения на переходе, зависимости отклшш перехода на СВЧ-сигнал при различных его частотах и урошях мощности.

Изготовлзшше методами интегральной технологии ТДП удовле-тьоряют всем требованиям, необходимым для эффективной работы в качестве детекторов СВЧ-прномнлков: они имеют достаточно большие сопротивления (десятки Ом), облегчающие согласование их с СВЧ-трактом, малые расчетные значения собственной емкости (<* Ф), позволяющие избежать шунтирования СВЧ-сигнала, до-

стато ;на высокую нелинейность ВАК, обладают стабильные характеристики;! при изменении температуры от комнатной до гелиевой.

Длк исследования детектирующих свойств ТДП был! созданы макеты приемников 8-мм и 4-мм диапазонов длин волн, конструкции которых огшеаш в главе б, и специальные измерительные стенды, когволякцие исследовать все характеристики перехода в едином цикле измерений.

Исследовались ТДП микронных и субмикронных размеров с со-щютивленикми от 10 до 300 Ом. Было установлено, что ВАХ этих пириходов сходны с ВАХ "идеальных" точечных дкоэефсоновских контактов: они имэпт избыточный ток, щелевую и субцелевую особенности, большое количество ступеней тока при воздействии СВЧ-излучения, то есть проявляют черты, свойственные даозофсо-¡юьеккм перэходач с непосредственной проводимостью. Малые значения емкости переходов подтверждаются отсутствием гистерезиса на ВАХ.

Несмотря на наблюдаемые различия формы отклика ишх(У) для разных переходов, максимальныэ значения отклика наблюдаются' в области начального участка ВАХ, размытого флуктуациями, при напряжениях 36*40 мкВ для изучения с частотой 33 ГГц и 100+ 120 мкВ для 1=75 ГГц. Максимум отклика расположен при меньших значениях напряжения, чем максимум дифференциального сопротивления. Подобное поведедение согласуется с результатами теоретического анализа отклика даозефсоновского перехода в присутствии тепловых флуктуаций при условии П = М/2оУс<<1 (б), которое выполняется для всех исследуемых переходов.

Величина вольтваттной чувствительности приемников на основе ТДП находится в пределах (5.103+8.104)В/Вт для Г=75 ГГц и (2.104*3.105)В/Вт для Г=38 ГГц, причем большей чувствительностью обладают перехода субмикрошгах размеров, расчетные значения емкости которых меньше, чем у переходов микронных размеров.

Полученные значения чувствительности не являются предельными. Экспериментальные оценки мощности СВЧ-излучения, поглощаемой непосредственно в переходе, показали, что она составляет не более 10 % от мощности, измеренной на входе приемнзтаа. При улучшении согласования перехода с СВЧ-трактом возмо:;шо улучшение чувствительности приемника на порядок.

Представлены результаты спектрального измерения шумов ТДП в диапазоне частот (0,1+20) кГц при разных значениях подаваемого тока. При малых величинах тока ]>1с шумовое напряжение большинства ТДП постоянно во всем интервале исследуемых частот. При увеличении тока через переход наряду с общим возрастанием шума на всех частотах наблюдается избыточный шум типа I/1 с частотой среза ~ 5 кГц.

Величина эффективного шумового напряжения в рабочей точке 1>1С для лучших переходов с сопротивлениями 80-100 Ом на частоте модуляции СВЧ-излучения I кГц составляла (0,4+0,6) нВ/Тц, что в 4 раза превосходит расчетную величину шума в тепловом пределе.

Таким образом, детекторы на основе торцеЕых даозефсоновских перэходов имеют низкий уровень собственных шумов и высокую чувствительность к СВЧ-излученшо ММ диапазона, что позволяет реализовать величины минимально сбнарукимой мощности лучше,

чем 3.10"14 Вт/Тц1/2 в 4-мм диапазоне длин волн к 5-10~15 т /?

Вт/Гц ' в 8-мм диапазоне.

. В третьей главе "СВЧ-отклик последовательно соединенных джозефсоногюких переходов" приводятся результаты теоретического расчета и экспериментального исследования характеристик детекторов из последовательно соединенных независимых дкозефсо-новскнх переходов.-Интерес к таким цепочкам сеяззн со стремле-

ином повысить ига 1сдане детектора для достижения оптимального согласования с СВЧ-трактом а также увеличить его динамический диапазон.

Исследование цепочек необходимо также для объяснения детектирующих свойств мостиков из высокотемпературных сверхпроводников, структура которых представляет собой совокупность большого числа сверхпроводящих гранул, связанных между собой джозеф-соновскими переходами.'Узкий мостик из тонкой поликристалличес-коЛ ВТОП-пленки можно представить как цепочку последовательно соединенных переходов с различными криттоками и сопротивлениями.

В начале главы приведены результаты расчета ВАХ и отклика одиночного джоэефсоновского перехода в ремках резистивной модели при различных значениях параметра Г = 1^/21с, определяющего уровень собственных флуктуаций перехода, и нормированной частоты СВЧ-сигнала П = ш/сос(ыс= (2е/1\) ■ 1СНП ). Рассматриваются случаи 0<1, это условие выполняется при детектировании излучения миллиметрового диапазона при использовании ТДП, и П»1.

Расчет осуществлялся по методике, описанной б [1], с использованием уравнения Эйнштейна-Фоккара-Шюнка. Форма отклика сильно зависит как от величины Г, так и от величины П. При 0<1 селектиьный отклик наблюдается только при весьма малых значениях Г<0,03. Для П=0,5 и Т=77 К (случай характерный для ВТСП-переходов) селективный отклик можно наблюдать только у переходов с сопротивлениями {^<0,1 Ома.

Далее приведены результаты расчета зависимостей I(V), (V) и отклика (при фиксировадаом СВЧ-токе) цепочки, состоящей из двух переходов о одинаковыми ^ в зависимости от соотношения их критических токов к=1С2/1С1. При к=1, достаточно малых Г и П>1 наблюдаются широкополосный и селективный отклики с удвоенной амплитудой при напряжениях вдвое больших, чем у одиночного перехода. При к>1,05 происходит разделение селективного отклика .на два отклика. Значительное видоизменение широкополосного отклика происходит при к>1,5. При и Г>0,03 можно наблюдать только широкополосный отклик. Его амплитуда максимальна при к=1, при увеличении к она уменьшается, проис-

ходит искажение Форш отклика. При kj2 в области малых напряжения имеется узкий отклик, обусловленный переходом с меньшим значением 1с, а в области больших напряжений широкий отклик от второго перехода.

Теорети' )ски рассмотрено влияние разнотипных (несворхпро водящих) включений на ВЛХ и отклик цепочки. Наличие таких включений характерно для мостиков из поликрксталличоской ВТСГ1 пленки при Т=77 К, итйощих нелинейную В АХ с нулевым критическим током. Увеличение сопротивления резистивного участка приводит к уширению отклика и сдвигу его максимума в сторону больших напряжений.

Рассмотрен отклик цепочки, состоящей из Н переходов. Если криттоки всех переходы равны, то максимум широкополосного отклика и селективный отклик долхнн наблюдаться при напряжениях в N раз больших, чем у одиночного перехода. Во всех других случаях отклик будет ¡меть более или менее сложную форму, зависящую от числа пере ходов, соотноиешш их криттоков, величин Г и О.

В конце главы приведет! результаты экспериментального ис-следоваш'л характеристик цепочек ня II последовательно соединенных торцевых даозефсоновских переходов. ВЛХ некоторых цепочек, зависимости Hd(V) и Un(V) подобны характеристикам одиночного перехода с увеличенным в II раз масштабом по напряжению, что указывает на идентичность параметров переходов цепочки. При воздействии СВЧ-излучония с частотой 38 ГГц наблюдаются ступени тока при напряжениях Vn= Il-n-(h/2e).f (n = 1,2,3...).

Наилучшее значение вольтваттнсй чувствительности приемника с 8-Ю4В/Вт было получено при использовании цепо"ки с П^- 120 Ом, величина шумового напряжения в рабочей точке на частоте модуляции I кГц Un- г-Ю^В'Гц1'2. NEP ^ 3.1СГ14Вт/Тц1/2, динамический диапазон « 55 дБ.

Отклики некоторых цепочек имели сильно изрезанный вид, что объясняется большим разбросом параметров переходов цепочки.

В четвертой главе "Характеристики и детектирующие свойства тонко1 гленочных мостикок из высокотемпературных сворхпроподга -ков" "фодставленн результата экспериментального исследования характеристик мостиков из л-ликристаллической iTa^CugO^ г:ло

нки но подложка из оипфира и моиокристаллической УВа^СидОг, х пленки на подлокке из бикристалла титаната стронция.

В лачале главы коротко описана технология изготовления мостиков из поликристаллической пленки и основные представления о структуре этой пленки, которую можно представить в виде "дшзефсоновской среды", в узлах которой находятся сверхпроводнике гранулы, соединенные контактами, проявляющими джозефсо-нонекие свойства. Ширина мостика варьировалась в пределах от 16 до 60 мкм, сопротивления их при Т=77 К составляли 10+500 Ом.

Исследовалось изменение ВАХ мостиков в зависимости от температуры, ивличины внешнего магнитного поля и мощности СВЧ-излученин ММ диапазона. При Т=77 К имеются мостики с критическим током и без него, причем зависимость напряжения от тока иммит степенной характер У=(1-1С)Х (1<х<3), обусловленный наличием множества джозефсоновских переходов с различными крит-токами 1(1, что находится в соответствии с теоретическими пред-стшиюниями 171.

При понижении температуры происходит увеличение 1с мостика. Ни ВАХ появляются особенности, отражающие моменты перехода отдельных контактов с 1С>1С в разнотипное состояние при увеличении тока, и также связанные с движением квантов магнитного потока (вихрей) под действием транспортного тока.

При воздействии внешнего магнитного поля перпендикулярного пленке (Н = О+ЯО Э) при Г=77 К происходит уменьшение 1с мостика, общее понижение ВАХ и уменьшение ее кривизны. При Но?20 Э ВАХ некоторых мостиков не возвращается в исходное состояние при уменьшении магнитного поля до нуля, что связано с захватом магнитного потока пленкой мостика.

При действии СВЧ-излучания на ВАХ некоторых мостиков возникали гармонические и субгармонические ступени тока, которые наблюдались при температурах от 4,2 до 77 К. Их появление мо~ ».го объяснить результатом взаимодействия переменного дкозефоо-|Юъского тока контактов, входящих в "джоэефсоновскую среду" и ОВЧ тока, а также когерентным движением вихрей.

Детектирующие свойства мостиков исследовались при воздействии СВЧ-излучения с частотами 37+53 ГТц. Форма отклика мое-

тика с критическим током при Т=77 К имеет, как привило, двугорбый вид: узкий максимум при малых значениях напряжения (V « 0,5 мВ) и широкий пологий максимум в области VjImB. Как показано в главе 3, такая форма отклики может наблюдаться при сложении отклика от двух или нескольких последовательно соединенных переходов,входящих в токопроводящпй канал мостика. Область максимальной чувствительности обычно наблюдается на начальном участке ВЛК и определяется откликом перехода с наименьшим значением критического тока. При увеличении частоты максимумы отклика смещаются в сторону больших напряжений, указывая на то, что отклик обусловлен дагазофеоновским механизмом детектировании.

Спектральные зависимости шумового напряжения показывают наличие избыточного шума типа I/i01 (а=1 ¡-1,5). Шумовыэ характеристики разных мостиков сильно отличаются как по величине, так и по характеру спектральных зависимостей. Это связано с различиями в механизмах шума, которые определяются типами дкозефсо-ноиских переходов и структурными особенностями мостиков такими, как количество токопроводящих каналов, наличие контуров квантования. Величина шумового напряжения при Т = 77 К в рабочей области в диапазоне частот 1*3 кГц для большинства ВТСП--мостикоп (Ч№о, ч<_'м на 1-2 порядка превышает тепловой шум НаПкЕшста.

Значения наименьшей обнаружимой мощности (NEP) при частоте СБ'I-излучения Г--37,5 ГТц для большинства мостиков составляли

тт то wo _Q

(10 «10 )Вт/Гц , мощность насыщения Р м 10 "Вт, динамический диапазон % " 35-S0 дБ.

Среди большого числа исследовании* мостиков попадаются отдельные экземпляры, обладающие низким уровнем шума и высокой •чувствительностью к СВЧ-излучений.Так при использовании мости-• ка с размерами ?>~>-64 мкм~ и Р71~20 Ом тольтваттнчя чувствительность [фиемника на частоте 37,5 ГГЦ составила ЬТО4 В/Вт при Т-77 К и 7,7.IOjB/Bt при Т-4,2 К, величина шумового лапрязкения в рабочей точки на частоте модуляции I кГц в 9 раз превышала тепловой шум НнЯквистп, NEP=G.10"14Вт/Гц1/2 при Т=77 К, что сравнимо с чувствительностью низкотемпературных переходов.

Успешное развитие технологии привело к созданию одиночных джозефссновских переходов из монокристаллических ВТСП-пленок нз искусственно созданной неоднородности подложки. Приведены результаты исследования характеристик переходов, возникающих при пересечении мостиком из УВаСиО пленки сварного шва бикрис-талллческой подложки из Т15г0д. Показано, что при Т=77 К экспериментальные зависимости отклика переходов на СВЧ-излу-чэние: расположение максимумов, соотношение амплитуд селективного и широкополосного откликов - находятся в хорошем соответствии с характеристиками, рассчиташшми в рамках модели ро-зистивно-шунтированного джозефсоновского перехода.

Экспериментальные значения ширины линии джозе^соновской генерации соответствуют теоретической оценке в тепловом пределе, что свидетельствует о том, что она определяется в основном собственными тепловыми флуктуациями перехода, (¿инимальная величина шумового напряжения, измеренная в диапазоне частот 1+20 кГц при У=30+100 мкВ всего в 1,5+2 раза выше расчетной величины теплового шума. Характеристики переходов не меняются .при термоциклированиях и длительном хранении.

При увеличении сопротивления переходов и использовании подложи с меньшей величиной диэлектрической постоянной эти перехода весьма перспективны для использования в широкополосных и селективных приемниках ММ диапазона.

В пятой главе "Конструкция и исследование характеристик макетов радиометров миллиметрового диапазона" описаны конструкции макетов 8-мм и 4-мм широкополоених радиометров с детекторами на основе низкотемпературных торцчвнх дгозефсоновоких переходов КЬ/а-Б1/МЬ, приводятся результаты измерения их характеристик в лабораторных условиях и результаты ксчгытаний 4-мм радиометра на радиотелескопе РТ-25.2 (г. Н.-Новгород).

Радиометры выполнены по модуляционной схиме и состоят из СВЧ-приемника с детектором, охлаждаемого и транспортном дыоаре СТГ-40, механического модулятора--переключателя с облучающими рупорами на входах и электронной схемы регистрации сигнал--!.

Приемник 8-мм диапазона выполнен на одномодовом волновод-основного сечения с короткозамыкаэдим поршнем на конц-;, регу -

лируемым снаружи дьюара. Детектор вставляется в узкую прорезь в центре широкой стенки волновода. Этот приемник использовался для лабораторных исследований свойств переходов (см.Гл,2).

Для уменьшения потерь в СВЧ-тракте 4-мм приэшяк выполнен на сворхрязмерных волноводах с пирамидальным волноводным трансформатором на конце. Сочоние детекторной камеры 3*0,6 мм2, что позволяет эффективно согласовать переходы с сопротивлениями 200-300 Ом с СВЧ-трактом и ограничить входную полосу со стороны низких частот.

Калибровка радиометров производилась по внешним эталонам излучения - черным телам с различной температурой. При лабораторных испытаниях была достигнута флуктуационная чувствительность СТ=С,004+0,006 К на 8-мм макете■радиометра и 5Т=0,02> 0,07 К на 4-мм макете радиометра при постоянной времени выходного фильтра т=1 с. Ширина входной полосы 4-мм радиометра порядка 20% от центральной частоты. Динамический диапазон 35-40 дБ, ■

В конце главы описаны результаты испытания радиометра 4-мм диапазона на радиотелескопе РТ-25»2. В зависимости от характеристик переходов была получена флуктуационная чувствительность 0,007+0,03 К при х-\ с. Наилучшая чувствительность, била зафиксирована при использовании перехода с И =270 Ом.

С помощью радиометра были произведены тестовые записи радиоизлучения Солнца, Луны и атмосферы, подтвердившие стабильность характеристик детекторов при.длительной работе и возможность использования радиометров подобного типа для целей радиоастрономии.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РА60ТН.

Г. Экспериментально показано, что тонкогтлоиочные торцевые переходы КЬ/а-ЗХ/ПЪ являются стабильными дкозефсоновскимл перехода™ с непосредственной проводимостью, обладатели низким уровнем собственного шума и высокой чувствительностью к СВЧ-издучению, что позволяет реализовать в миллиметровом диапазона длин волн широкополосные детекторы с пороговой чувствительно-

стью не хуке чем 5-10"15Вт/Тц1/2 но частотах 30+38 ГГц и 3.10~14Вт/Гц,/г на частотах 53+78 ГГц. Полученные значения чувствительности не являются предельными и могут быть улучшены при оптимизации СВЧ-тракта приемника.

2. В результате проведенных исследований разработаны и изготовлены макеты широкополосных радиометров 8-мм и 4-мм диапазонов длин волн с детекторами на основе торцевых дкозефсоновс-ких переходов с флуктуационной чувствительностью 0,005 К и 0,01 К при т=1 е., соответственно. Входная полоса составляет 15-20 % от центральной частоты, динамический диапазон 30+-35 дБ.

Испытания 4-мм радиометра на радиотелескопе РТ-Збх? подтвердили его рекордную чувствительность и показали перспективность использования радиометров подобного типа для радиоастрономических исследований.

3. Теоретически и экспериментально показано, что зависимость отклика от напряжения смещения детекторов из последовательно соединенных, независимых дхозефсоновс.ких переходов существенным образом зависит от разброса параметров отдельных переходов. Детекторы имеют максимальный отклик, если критический токи переходов различаются не более, чем на 20% для широкополосного режима детектирования и не более, чем на 2% для селективного режима детектирования.

4. Экспериментально показано, что свойства мостиков из поликристаллических пленок высокотемпературного сверхпроводника УЗа^СйдОг,^, такие как зависимость ВАХ и отклика от температуры, частоты и мощности СВЧ-излучения, неоднозначность ВАХ при воздействии магнитного поля, наличие избыточного шума, обусловлены случайным характером структуры соединений и параметров джозефсоновских переходов, возникающих между сверхпроводящими гранулами. При воздействии СВЧ-излучения имеет место джозефео-новский механизм детектирования.

Достигнутое значение пороговой чувствительности G.I0"14 Вт/Гц1/г на частоте 37,5 ГГц при Т=77 К показывает возможность • создания высокочувствительных джозефсоноьских детекторов миллиметрового диапазона при улучшении структуры ВТСЛ-пленки и оптимизации конструкции мостика и детекторной камеры.

5. Экспериментально показано, что вольтемперные характеристики, зависимости широкополосного и селективного СВЧ-сткли-ка переходов, сформированных из монокристаллической ВТСП-ллен-ки YBa2CUg07_x на шве бикристаллической подложки из SrTiOg, при Т=77 К соответствуют характеристикам одиночного джозофсо-новского перехода, описываемого моделью реэистивно-шунткроваи-ного контакта.Низкий уровень шума переходов в. диапазоне частот 1+20 кГц, который всего в 1,5-2 раза выше расчетной величины теплового шума Найквиста, высокая стабильность характеристик при термоциклировании указывают на перспективность использования переходов подобного типа в различим СВЧ-приемниках.

ПУ6ЛИКА1Ш ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. В.А. Куликов, Л.В. Матвеец, А.Л. Гудков, В.Н. Лаптев, В.И. Махов. Детектирующие свойства торцевых джозефсоновских переходов из тугоплавких материалов.- Письма в ЖТФ; 1936, т.12, вып. 9, с.527-53

2. В.А. Куликов, Л.В. Мятвеец, А.Л. Гудков, В.Н. Лаптев, Б.И. Махов. Детектирующие свойства цепочек последовательно соединенных торцевых джозефсоновских переходов.- Письма в НТО, 1987, г.13, ьнп.18, C.II09-III2.

3. В.А. Куликов, Л.В. Мятвеец, А.Л. Гудков, В.Н. Лаптев, В.И. Махов. Характеристики и детектирующие свойства торцевых джозефсоновских переходов из тугоплавких материалов.- Препринт ИЗМИРАН, Н 9(753), i988 г.

А. В.А. Куликов, Л.В. Матвеец, А.Л. Гудков, З.Н. Лаптев, ВЛ. Махов. Широкополосные радиометры-миллиметрового диапазона • па основе торцовых джозефсоноьских переходов.- КТФ, 1988, т. 58, N 6, с.1227-29.

5. В.А. Куликор, Л.В. Мчтвеец, А.Л. Гудков, В.Н. Лаптев, B.fo. Махов. Низкочастотные шумы торцевых даозефооиопских переходов.- Письма в ЖТФ, 1988, т. 14, кып. 14, п. 128>1290.

6. В.А. Куликов, Л.В. Матвеец, А.Ю. Серебряков, В.Н. Лаптев, Р.И. Махов, В.Г. EMf-льяненков, Ю.Н. Инкин. Детектирующие епойствз T-MiKOiuiöHOMHJJX сверхпроводящих мостиков из YBaCuO.

- IS -

- Письма ь ЖТФ, Т93Э, т.15, внп.20, с.74-77.

7. С.Н. Ермолаеь, Н.А Киолов, В.А. Куликов, В.А. Марченков, Л.Б. Матвэец, А.В.Кикулов, В.Ж.Розеыфланц, А.Ю.Серебряков,

A.В.Черных. Высокочастотный отклик широких сверхпроводящих тонкопленочных мостиков YBaCuO.- Письма в ЖТФ, 1Э89, т.15, выпЛЗ, с.51-54.

8. В.А.Куликов, Л.В.Матвеец, А.Ю.Серебряков, В.Н.Лаптев,

B.И.Махов, В.Г.Ёмельяненков, Ю.Н.Инкин, А.Ю. Ермолов. Детектирующие свойства тонкоп.пэночных сверхпроводящих мостиков. - В книге: II Всесоюзная конференция по высокотемпературной сверхпроводимости, 1939, Киев, т.Г, с.249-2.50.

9. В.А.Куликов, Л.В.Матвеец, А.Ю.Серебряков, В.Н.Лаптев, В.И.Махов, В.Г.йивльяненков, Ю.Н.Инкин, А.Ю. Размолов. Низкочастотные шумы тонкоклечочных сверхпроводящих мостиков.-В книге: II Всесоюзная конференция по высокотемпературной сверхпроводимости, I93S, Киеь.

10. С.К. Ермолаев, Н.А. Кислов, В.А. Куликов, В.А. Марченков, Л.В. Матьеэц, А. В..Кику лов, В.Ж.Розенфланц, А.Ю.Серебряков, А.В.Черных. Высокочастотный отклик сверхпроводящих тонкопленочных мостиков YBaCuO.В книге: II Всесоюзная конференция по высокотемпературной сверхпроводимости, 1989, Киев.

П. Б.А.Куликов, Л.В.Матьеец, А.Ю.Серебряков, В.К.Лаптев, В.И. Махов, В.Г.Ёмельяненков, Ю.Н. Инкин. Влияние магнитных полей на тенкопленочнне сверхпроводящие мостики из YBaCuO. -Письма б 5ЭТ>, 1989, т.15, вып.21, с.40-43.

12. V.A. Kullkov, L.V.Matveeta, A.Yu. Serebrykov, V.N. Laptev, V.I.Kakhov, li.G.EmelJanenkoY. Millimeter wave detection by YBaCuO superconducting thin film bridges.// The Beljng Int. Conf. on High Tc Superconductivity. 1989, Belong, China.

13. В.А.Куликов, Л.В.Матвеец, А.Ю.Серебряков, В.Н.Лаптев, В.И. Махов, В.Г.Ёмельяненков, Ю.Н.Инкин. Характеристики и де-тектирущие свойства тонкопленочных мостиков из БТОП. -Препринт КЖРАН N 52(878). 1989, 23с.

• 14. В.А.Куликов, л.ВЛ'атвеец, А.Ю.Серебряков, В.Н.Лаптев, В.К. M'jxob, В.Г.Екндьянннкоь, Ю.Н.Инкин. Магниточувстштельные элементы ча oowoiv сверхпроводящих, пленок YbaCuO.- VII

Всесоюзная научно - техническая конференция "Проблемы магнитных измормшй и магнитоиемерпте.пькой апторатурц", 1220, Ленинград.

15. В.А. Куликов, Л.В. Матвеоц, А.Л. Гудков, R.K. Лаптев, Б.Л. Махов. Низкочастотные пумы торцешх джозофооноьсгах перо-ходов.- 5 Всесоюзная конференция "'пуктуацтаньк-: явлоняя в физических системах", IS88, Палангк, с. 18?,-"¡84.

16. У.A. Kiilikov, L.V.Matveets, A.L. fii«tKov, V.N. U>;tev, V.I. Makhov. A mm-wave radiometer with planar ?ib/a-31/Nb Jo^eph-non junction.- IEKE Trans, iiagn., v.27, (991, p.;■•:&■'}.

17. В.А.Куликов, Л.В.Матыоец. В.В.Мигулш. Свлектирчсе Д':1:1':'!:жирование д^озефсоновскиуи п^рэход'ыи из ыг>;окото:«гурьту}да < материалов,- Препринт ИР.ЖРАК К 93 (1040), 1993. 21с.

18. Куликов В.А.,Матриц Л.В., Кигрин В.З., ЗЛТ.Лан-гвв, Б.it. Махов, В.Г.Емэльянеккои, Ю.Н.Инкии. Исследование погмошо-СТИ 11рКМвН*НИЯ ТОНКОШЬШОЧЬМХ ЗТСП-МООТЙ'СОВ для npt<er.vt СиЧ-излуч»гния. - Пр^прин? N 52 (ЭЭ9), М. :КЖРАН, 1992, 20 с.

Г9. Куликов В.Л., Матвевц Л.В., Мигул/я ЗЛ>. ОБЧ - отклик по-сдединатчльно соедилзшшх джт*эф<!огго1К'.ках исходна. Препринт (993), М.:ИЗМЖЧ{, Т992, 26 с.

Цитированная литеру гура.

1. Лих арен К.К. Рведчниу в динглзму дедзефсономжих пероходов-

' М.: Наука, 1985, 320 о.

2. Лихарев К.К., Мигулин 'З.П.// Р1ГЭ, J980, т.2d, в.6,■u.1127.

3. Губанкоь ВЛГ. //Итоги науки л сер."Радиотехника", Г987 T-.3S, 109 с.

4. Гудков А.Л., Лихарев К.К., Махов h.И.// Письма n ."STi, I5E5, T.II, в.23, с.1423.

5. Лихарев К'.К. и др.// Ктоги науки и темгкки, сер. "Св^рхпро-нодимость" J.983, т.1, 74с.

6. Vystavkln АЛ!., Guliankov V.N. et -al.//Rw.?iiy;:.Appl. 1Q74, v.9, p.79.

7. Мейлихоь Е.З. //m\. ГРРЗ, т.163, N.3,- е..27-54.