Сквиды постоянного тока на основе нешунтированных туннельных переходов и возможности их применения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

£8 С в 9 г

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М. В. ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

ГУЛОШНИКОВ СергеИ Александрович

СКВИДЫ ПОСТОЯНННОГО ТОКА НА ОСНОВЕ НЕИУНТИРОВАННЫХ ТУННЕЛЬНЫХ ПЕРЕХОДОВ И ВОЗМОЖНОСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

МОСКВА - 1992

Работа выполнена на кафедре атомной физики, физики плазны и микроэлектроники физического факультете МГУ им. И. В. Ломоносова.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

зав. лабораторией криоэлектроники О. В. Снигирев

Официальные оппоненты: доктор физико - математических

наук В. П. Кошелец кандидат физико - математических ;;аук Е. Л. Полунин

Ведущая организации: Российский научный центр "Курчатовский" институт

Защита диссертации состоится " " и^О-^С^ " 1В92 г.

¿О

ы {3 часов в аудитории .5- 43 на заседании Спициализироваиного Совета (шифр X. 053. оз. 92) Отделения радиофизики Московского государственного университета им. К.а. Ломоносова.

Адрес: 119809, г. Москва, ГСП, Ленинские горы, МГУ, Физический факультет.

С диссертацией коино ознакомиться о библиотеке физического факультета НГУ.

Автореферат разослан и /.3 " » 1992г.

А фщ^

Ученый секретарь Специализированного Совета 4 /

К CiS3.05.92. ст. научный сотрудник К.В.Лебедева

¡ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Акту альность_ темы. В настоящее время на базе сквидов дан парк приборов, позволяющих измерять низкочастотный кагнитный поток и другие величины легко преобразуемые в поток: нагнитное поле, его градиент, ток, напряжение и т.п. [1]. 1одобные устройства находят все большее применение в различных областях науки и технике, в частности, в медицине, геофизике, физике твердого тела и технике связи. 9 таких приборах в чачестве чувствительных элементов, все чаще используются лнтегральные сквиды постоянного тока (ПТ-сквиды) с туннельными ркоэефсоновскими переходами, изготовленные методами современной микроэлектроники. Такие сквиды превосходят радиочастотные ■налоги по чувствительности на частотах выше десятых долей ■ерца, при этом обработка сигнала интерферометра осуществляется 5олее простой электронной схемой. Хорошо отработанные в 1абораторных условиях нетодики изготовления туннельных шреходов позволяют надеяться на успешное решение проблемы шстаточно широкого тиражирования этих устройств.

Несмотря на достигнутые успехи в области создания фактических устройств ка основе сквидов, продолжается работа |ад созданием как новых джозефсоновских схен, так и более ювершенных систем регистрации выходного сигнала. Одним из говых направлений является использование режима релаксационных ¡олебаний в схемах ПТ-сквидов с нешунтированными туннельными

нгл. : SQUID - Superconducting Quantum Interference Device -ермин, обозначающий специальным образом сформированный верхпроводящий контур - квантовый интерферометр - с одним радиочастотный) сквид или двумя (сквид йостоянного тока) жозефсоновскими переходани.

переходами. Так к 1988 году в Лаборатории криоэлектроники ИГУ был разработан и создан двухконтактный квантовый интерферометр, работающий в режиме релаксационных колебаний (релаксационный сквид). Проведенные экспериментальные исследования [2] свидетельствуют о возможности реализации высоких уровней чувствительности в подобных сквидах, при одновременном упрощении его конструкции и методик изготовления.

Цель_работы. Настоящая диссертационная работа в первой своей части посвящена экспериментальному исследованию шумовых свойств релаксационных ПТ-сквидов и созданию на их основе магнитометра для геофизических исследовании с уровнем чувствительности порядка Ю~и Тл/Гц1/а.

Вторая часть диссертационной работы связана с исследованием возможности создания новой версии релаксационного ПТ-сквида с нашунтированныни туннельными переходами, , отличающихся от традиционных ПТ-сквидов высоким коэффициентом преобразования S - дV/S4> > 1мВ/<г> .

в о

Научная_новизна определяется следующими наиболее важными .43 полученных результатов:

1. Проведено исследование шукосых свойств релаксационных ПТ-СКВИДОВ на 0СН080 иашунтиросзнкых МЮЗОфСОНОВСКЦЗЕ ТУН«!ВЯЬ5ШХ переходов в зависимости or параметров релаксационной цепи. Измеренный минимальный уровень эквивалентного иумосого потока

£Ф на частотах выше 1 Гц составил " 5х10"6 С /1"ц1/г

h

2. На основе оптимизированного релаксационного ПТ-сквида создан магнитометр для геофизических измерений с пороговой чувствительностью " 9xl0"ls Т к/Гц"'', дкпеккческик диапазоном - ."-.С полосой пропускаi-:;t/i - ЮС сксростьи слежения до

.* V " ;r./c8u. Нроводоки полсеыс s.cn!.izL.,:.i. скскд-магнитометра, s ;: .. reu— прыхвеявш кгкореиьп доуктувциК компоненты 9

естественного электромагнитного поля Зенли а диапазоне частот 0.5 - 20 Гц.

3. На основе двух квантовых интерферометров с

нешунтированными туннельными джозефсоновскими переходами

предложена балансная версия релаксационного сквида постоянного

тока. Для разработанной схемы сделаны теоретические оценки

величин коэффициента преобразования Б к эквивалентного шумового

магнитного потока , показывавшие возможность достижения

я

значений Б > 2 мВ/Фо и вФ^ < 2х10~в Фо/Гц1/2.

4. Исследованы вольт-амперные, сигнальные и шумовые характеристики созданных интегральных балансных релаксационных сквидов постоянного тока. Измеренные значения коэффициента преобразования Б и эквивалентного шумового потока 5Фи составили более 1.5 мВ/Ф и (3 ± 1)х10"6 Ф/Гц1/г,

о а

соответственно, и находятся а качественном согласии с теоретическими оценками.

Созданный геофизический магнитокетр на основе релаксационных сквидов постоянного тока по своим параметрам превосходит аналогичные устройства других типов и может служить основой для получения новых данных я области геофизики.

Разработанные балансные релаксационные сквиды постоянного тока могут быть использованы при создании новых, более совершенных многоканальных магнитометрических систем, применяющихся в настоящее время а биофизических исследованиях.

работы. Основные результаты диссертации

докладывались на Всесоюзном семинаре "Эффект Джозефсона в науке и технике" (Киев, 1985г.), на двух Международных конференциях по прикладной криоэлектроники (Сан-Франциско, 1939г., Сноуиасс, I 391г. ) .

Публикации. Основные результаты исследований опубликована в 5 работах, список которых приведен в конце автореферате.

Структура_и_обьек_диссертации. Диссертация состоит из предисловия, пяти глав и заключения. Общий объем работы - 107 страниц. Она содержит 28 рисунков, 4 таблицы и список цитируемой литературы № 68 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В-ПР^ДОеЗЗЗИК обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована ев цель ,, _____ . -• ч

Первак__глава носит обзорный характер и посвящена особенностям работы ПТ-сквидов с туннельными джозефсоновскими переходами, а также вопросам создания практических устройств на их основе.

В параграфе 1. 1 рассматривается эффект Джозефсона, проявляющийся при слабой связи двух сверхпроводящих электродов и основные характеристики наиболее технологичных джозефсоновских контактов - туннельных переходов. Неоднозначность вольт-амперной характеристики (ВЛХ) подобных переходов затрудняет их непосредственное использование в практических устройствах. При шунтировании туннельных переходов низкоиндуктивными резисторами, можно получить контакты с однозначной ВЛХ.

В параграфе 1. 2 рассматриваются принципы действия сверхпроводящих квантовых интерферометров (сквидов), представляющих собой сверхпроводящее кольцо с двумя джозефсоновскими переходами, которые в настоящее время являются наиболее чувствительными детекторам» магнитного потока. У> случае традиционных сквидов постоянного тока с шунтированными туннельными переходами изменения магнитного потока ДФ приводит

О

к изменению усредненного по периоду джозвфсоновской генерации напряжения V на его переходах. На основе нешунтированных туннельных переходов также возможна реализация ПТ-сквида. В этом случае информация об изменениях магнитного потока связана с соответствующими изменениями критического тока интерферометра I (в^), которые в свою очередь могут

отслеживаться с помощью внешнего тестирующего переменного тока г:). или внутренних релаксационных колебаний, возбуждаемых в интерферометре.

В параграфе 1.3 обсуждаются особенности существующих магнитометрических приборов на основе сквидов постоянного тока, предназначенных для геофизических и биофизических исследований. Показано, что основным направлением усовершенствования подобных устройств является повышение коэффициента преобразования квантового интерферометра 8 - при сохранении его

пороговой чувствительности. Предложена схема ПТ-сквида, работающего в режиме релаксационных колебаний, с коэффициентом преобразования Б > 1 мВ/Фо.

В параграфе 1.4 на основе проведенного обзора детализируются задачи работы и дается структура изложения материала диссертации.

Втораяглава посвящена исследованию и оптимизации флуктуационных характеристик двухконтактных квантовых интерферометров с нешунтированными туннельными джозефсоновскими переходами, работающих в режиме релаксационных колебаний.

В параграфе 2. 1 Приведены топологическая схема и результаты исследований характеристик релаксационного сквида постоянного тока [3]. используемого в дальнейшем з качестве чувствительного элемента в сквид-магнитометре, предназначенном для геофизических исследований Показана необходимость

оптимизации параметров релаксационных сквидов для повышения их пороговой чувствительности.

В параграфе 2. 2 проанализированы вопросы оптимального согласования релаксационных сквидов постоянного тока с градициошюй модуляционной электронной схемой регистрации сигналов, приведены результаты измерений шумовых характеристик. Для интегральных датчиков, на частотах выше 1 Гц, измеренный уровень эквивалентного шумового потока составил -

( ю 1 2)*Ю"6 « /Гц,/г,

о

В параграфа 2. 3 показано, что в релаксационном СП-сквиде при изменении сопротивления В^ ИЬ-цепи и тока смещения I, эквивалентный повышении частоты релаксационных колебаний I -т /I Ь до значений - 1 ГГЦ, уровень шумового магнитного потока ¿4 может быть снижен до значения 64> "(81

N N • I П

1|х|0"' Фд/Тц"2. Дальнейшее увеличение частоты релаксационных колебаний приводит к повышение связанному с возрастающим

влиянием плазменных колебаний в туннельных переходах

ГОЭ50 посвящена разработке и создании на основе релаксационных сквидов постоянного тока практических устройств магнитометров для геофизических исследований.

В параграфе 3.1 рассматривается функциональная схвна флуксметра с релаксационным сквидом постоянного тока в качестве чувствительного элемента, которая является основой сквид-магнитометра. Кратко описан принцип действия флукснетра и приведены динамические и частотный характеристики первой версии разработанной схемы.

В параграфе 3. 2 описан приемный трансформатор потока, значительно повышающий пороговую чувствительность

сквид-магнитометра. Приведены результаты измерений шумовые, частотных и динамических характеристик первого варианте

н

сквид-магнитометра с подключенным трансформатором потока. Пороговая чувствительность устройстве оценивалась как по параметрам приемной части магнитометра, так и по результатам шумовых измерений в сверхпроводящем экране. В обоих случаях получены значения SB^ близкие к {7 i 2)xl0~ls Тл/Гц1/2. В ходе первых испытаний магнитометра сделаны оценки вариаций земного магнитного поля, искуственных помах сетевой частоты S0 Гц м ае гармоник. Выявлены недостатки прибора, связанные а первую очередь с низкой скоростью отслеживания высокочастотных помех цепью отрицательной обратной связи.

Б параграфе 3 3 обсуждены недостатки первой версии сквид-магнитометра и рассмотрены способы их устранения. Предложен новый вариант электронной схемы, в котором используются транформаторный согласующий элемент и двухполюсный интегратор. Внесенные изменения позволили значительно расширить полосу пропускания всего устройства и увеличить эго скорость слежения. Окончательно, магнитометр на основе релаксационного сквида постоянного тока имел пороговую чувствительность (9 t 2)«10"'5 Тл/Гц"г не частотах выше 1 Гц, динамический диапазон близкий к 140 Лб, полосу пропускания - 200 кГц и скорость слежения - 10"J Тл/сек.

В параграфе 3. 4 содержатся результаты полевых испытаний второй версии сквид-магнитометра, проведенных 9 малонаселенно!!! сельской местности. В ходе испытаний было осуществлено измерение вариаций компоненты В^ естественного

электромагнитного поля Земли в диапазоне частот О. S -20 Гц. Выходной сигнал сквид-магнитометра после соответствующего усиления и фильтрации обрабатывался с помощью низкочастотного анализатора спектра СК4-72. Длительность одной выборки составляла - 20 сек, а время осреднения результатов измерений -

20 мин. В точное время в регистрируемых спектрах отмечалось уменьшение шуме до значений - (3 ♦ 4)х10~13 Тл/Гц1'2, на фоне которого на частотах 7,8 Гц и 14 Гц наблюдались низкодобротные резонансы, соответствующие естественным электромагнитным резонансен полости Земля - ионосфера [4].

Четвер1§я_глава посвящена анализу работы балансной версии релаксационного скаида постоянного тока, созданию интегрального тестового датчика м исследованию его вольт-амперных и сигнальных характеристик.

В параграфе 1 описан принцип действия балансного

релаксационного сквида постоянного тока на основе двух

квантовых интерферометров с нешунтированными туннельными

дяозефсоновскими переходами. Оценен диапазон ожидаемой величины

коэффициента преобразования S и эквивалентного шумового потока

вФ^ . Для значений критических токов интерферометров - (70 ♦

ILO) мкА, к частоты релаксационных колебаний - О. S ♦ 1 ГГц

уровни Б w 5Ф должны составить (1+5) мВ/Ф и (5 ♦ и о

1.5)х10"4 Ф /Гц5/2 соответственно, о

В параграфе 2 проведен расчет топологической схемы балансного релаксационного скэида постоянного тока, в ходе которого определены параметры туннельных джозефсоновских переходов и размеры контуров интеферометров. При проектировании релаксационной цепи учтена возможность использования как тонкопленочного, так м проволочного резистора. Для задания в балансный схвмд магнитных потоков на интегральном чипе размещены три тестовых одновитковых катушки. Послойная топология микросхемы осуществлена с помощью пакет? прикладных программ автоматического проектирования AUTOCAD.

В параграфе 4.3 приводится краткое описание двухканальной измерительной системы, позволяющей изкорягь вольт-ампнрныо и

вольт-полевые характеристики (ВПХ} каидого интерферометра балансного релаксационного сквида. Показано, что требуемый реххик работы балансного сквмда реализуется лиш» прм определенных соотношениях величии критических токов его интерферометров: I . « I ,_ , AI . * ÜI . В этом случае каждый из

cloax с2мх el с2 '

интерферометров характеризуется своей ВАХ с участком, чувствительным к изменению внешнего магнитного потока.

В параграфе 4. 4 представлены результаты измерений ЗПХ балансных сквидов. При указанных в п. 4.3 соотношениях между критическими токами I . м I , и токах смещения 1:1 „I < I

с 1 с 2 с! с2

a V^/2Re (Vp - плазменное напряжение, R - сопротивление релаксационной цепи) сигнальные характеристики существуют у каждого из интерферометров. Максимальный размах этих характеристик достигал значений - 150 * 200 мкВ, а коэффициент преобразования S на наиболее крутом участке был болев 1 мВ/Фо.

Пятая_глава посвящена исследованию шумовых характеристик балансных релаксационных сквидов постоянного тока.

В параграфе 5.1 дано описание измерительной системы, позволяющей регистрировать коэффициент преобразовании S -av/ao^ и флуктуационную чувствительность 5®и балансного сквида в произвольной точке его сигнальной характеристики. Измерение напряжений v,V^ обоих интерферометров балансного сквидв осуществлялась модуляционной схемой -на частоте ■» 60 кГц, при амплитуде подмагиичивающего потока О « Ф0> В качества согласующих устройств использовались охлаждаемы«

трансформаторы. Спектральная плотность собственного шумового напряжения разработанной установки не превышала уровне 0.2 нв/Гц1'" на частотах выше О. S Гц.

В параграфе 5.2 описана методика и результаты исследования аумовых характеристик разработанной схвмы балансного гквида. Е

U

'ходе измерений получены спектры флуктуации выходного напряжения Ук обоих интерферометров в диапазоне частот О. 5 - 200 Гц. Выбор рабочей точки по току смещения I и постоянным магнитным потокам Ф при измерениях соответствовал максимальной крутизне

•1-3

ВП-характеристкки. По величине выходного напряжения систекы, значениям коэффициента усиления тракта и крутизне

преобразования- - 8 рассчитывалась чувствительность

интерферометров по магнитному потоку в«и- Для балансного сквида с пленочным шунтом - 2 Он, определяющем частоту релаксации -900 МГц, эта величина составила - (3 £ 1)х10~6 * /Гц1/г.

о

В параграфе 5.3 обсуждаются результаты измерений характеристик балансных релаксационных сквидов. Получено, что по величине коэффициента преобразования Б балансные сквиды в 5 10 раз превосходят как традиционные, так и обычные релаксационные сквиды, а по уровням эквивалентного шумового потока сравнимы с последними. Достигнутые характеристики по порядку величины совпадали с теоретическими оценками, выполненными в рамках нелинейной резистивной модели. Оценены перспективы создания магнитометрических приборов на основе балансных релаксационных сквмдов постоянного тока без охяандаэкых согласующих устройств, при значительно упрощенной электронной схеме регистрации .

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведено исследование шумовых свойств релаксационных ПТ-сквидов на основе нешунтироэанных джозефсоновских туннельных переходов, г зависимости от параметров релаксационной цепи. В оптимизированном сквидв минимальный эквивалентный шумовой поток а© на частотах выше 1 Гц составил =» 5хю"6 Ф /Гц"г

и о

2. На основе оптимизированного релаксационного скэвдв создан магнитометр для геофизических измерений с пороговой чувствительностью » (9 ± 2)х10"15 Тл/Гц,/2» динамическим диапазоном ~ 140 дБ, полосой пропускания » 200 кГц и скоростью слежения до 10~э Тл/сек.

3. Проведены полевые испытания сквид-магнитометра, и жодв которых продемонстрирована стабильность работы прибора в условиях сильных внешних помех. Осуществлено измерение флуктуаций компоненты В^ естественного электромагнитного поля Земли в диапазоне частот 0.3 - 20 Гц.

4. На основе двух квантовых интерферометров о нешунтированныни, туннельными даозефсоновскими переходами сконструирован и создан мнтегральный вариант балансного релаксационного сквида постоянного тока. Экспериментально исследованы вольт-амперные и сигнальные характеристики балансных сквидов. При размахе сигнальной характеристики * 200 мкВ, получены значения коэффициентов преобразования 3 зыше 1 хВ/Ф . 1

5. Создана специализированная установка для исслэдозания

шумовых характеристик балансных ролзксационкыж сиэмдоэ

постоянного тока, с уропнен собственных шумов мэиэа 1/2

0.2 ыВ/Гц на частотах вышо 0.5 Гц.

й. Исслодозакы флуктуациснпив характеристики 5глг:-:с::>,:!г релаксационных сквидоа постоянного тока, прозидеио у.у. срвЕканив с теоретическими расчетами. На частотах зьппо 1 Гц получасы значения эквивалентного г.у;:споге потека Л 9 ма урови® « 13 ± ЦхШ'1 О/Гц1/2 при коэффициенте првобрЕЭСЕакия сигнальной характеристики - 1.2 хЗ/0„.

!Уг;л :хлц:1:*: по тене диссертации

с, 4. Гудоокикоз И. В. Наслонккхоэ, А. Б. Рвзшвв О. Ь. Сккгггзсв,

Магнитометр на основе интегрального релаксационного сквида постоянного тока. Радиотехника и электроника, 1990, т.35, N JL, с. 226-228.

2. S.A.Gudoshnikov, Yu.V.Maslennikov, V.K.Semenov, and O.V.Snigirev, -Relaxation-oscillation-driven dc SQUIDs-, IEEE Trans.on.Magn., 1989, v.25, Mo.2, pp.1178-1181.

3. ■ С. А. Гудошников, Ю. В. Масленников, О. В. Снигирев, Магнитометр для геофизических измерений на основе релаксационного сквида постоянного тока. Сб. Проблемы квантовой магнитометрии, Москва "Наука", 1991, с. 94-59.

4. S.A.Gudoshnlkov, O.V.Kaplunenko, Yu.V.Maslennikov and O.V.Snigirev, -Noise in relaxation-oscillation-driven dc SQUIDS- IEEE Trans.on Magn., 1991, V.27, No.2, pp.2439-2441.

8. С. А. Гудошников, П.В.Масленников, О. В. Снигирев, Релаксационный сквид постоянного тока в магнитометре для геофизических намерений. Радиотехника и злектроника, 1991, т. 36, N 7, с. 1377-1381.

ЦИТИРУЕНАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. К.К.Лихарев, Введение в динамику джозефсоновских переходов, М. : Наука, 1985, 320 с. .

2. К). В. Масленников, О. В. Снигирев, Релаксационные сквиды постоянного тока, Письма в ВТ«, 1986, т. 12, вып. 21, с. 1288.

3. S.A.Gudoshnikov, Yu.V.Maslennikov, V.K.Semenov, O.V.Snigirev and A.V.Vasiliev, -Relaxation-oscillation-driven dc SQUIDs-, IEEE Trans.on.Magn., 1989, v.25, No.2, p.1179.

4. П. В. Блиох, А. П. Николаенко, Ю. Ф. Филиппов, Глобальные

электромагнитные резонансы полости земля-ионосфера, - Киев:

Наук, думка, 1977, 200 с. .