книги из ГПНТБ / Слабкий Л.И. Методы и приборы предельных измерений в экспериментальной физике

§4. Работа ФЭУ

врежиме корреляционного счетчика фотонов

Как известно, длительность импульса иа выходе ФЭУ в случае «одноэлектронного» режима определяется степенью «размытости» сгустка вторичных (дннодных) электронов, попадающих на анод, и зависит, таким образом, от конструктивных особенностей динодной системы ФЭУ. Поэтому, если на фотокатод ФЭУ падает пуас­ соновский поток фотонов, которые не коррелнрованы и действуют на фотокатод независимо друг от друга, то в результате на выходе ФЭУ будет зарегистрирована серия последовательных импульсов, имеющих одну и ту же ширину (длительность). В случае же нали­ чия корреляции в фотонном потоке с временем корреляции тт1п, большим, чем ширина импульса, длительность выходных импуль­ сов ФЭУ будет больше, причем степень уширения будет характери­ зоваться автокорреляционной функцией для данного потока фотонов.

Рис. 115. Блок-схема счетчика фотонов

221

Используя это явление, молено исследовать автокорреляцион­ ные характеристики потока при помощи высокочувствительного ФЭУ, работающего в режиме счетчика фотонов (рис. 114, 115). В работе [47 ] для этой цели была использована следующая методика.

Импульсы с ФЭУ-30 поступали на спиральную линию задерж­ ки с обеих сторон, так что в ней возникала «стоячая волна» с макси­ мальной амплитудой в середине линии ЛЗ (рис. 114). Сканирующее устройство (двигатель) обеспечивало периодическое перемещение движка — контакта для съема информации (сигнала) с этой линии, давая тем самым контур импульса, усредненный по большому числу отдельных импульсов, поступающих на линию с ФЭУ. При дли­ тельности импульса т = 1 -4-2 нс скорость сканирования (и последую­ щей записи на самописце) составляла примерно 1 нс/мин.

В качестве усилителя импульсов в схеме использовался усили­ тель типа УШ-2 с пересчетным устройством типа ПС-10000. Дискри­ минатор, собранный на туннельном диоде 3 И 301 В, имел минималь­ ный порог дискриминации в 0,1 В (рабочий режим при измерениях — 1 В) при длительности дискриминации 40 нс.

Ширина импульса от пуассоновского потока фотонов при ско­

рости счета на полувысоте контура N — 300 имя!с (при комнатной температуре) составляла 1,24 нс, а ее изменение (или сдвиг) на 0,11 нс вызывал изменение средней скорости счета на ПО имп/с, что давало возможность различать сдвиг точек контура на 0,06 нс.

При сравнении ширины контура для отермошумов и подсветки от ртутной лампы ДРШ-250 (X = 5460,9 А) было обнаружено уширение контура для фотонмпульсов на 0,16 нс (на уровне V4 высоты), что указывает на временную корреляцию (когерентность) потока

Экран

Рис. 116. Схема делителя для питания ФЭУ-30

для данной спектральной линии. Наличие такой когерентности

для данной линии ртути) имеет место временная корреляция фото­ нов с эффективным временем корреляции тгаШ, равным12

12 В пределах этого интервала времени невозможно различить двух отдельных фотонов.

222

1

ность зарегистрировать эффект корреляции фотонов с помощью данной аппаратуры.

Использованный в этой установке фотоумножитель ФЭУ-30 имеет систему эмиттеров (динодов) тороидального типа, содержащую 14 умножительных каскадов. По данным работы [48 ] ниже приведены некоторые параметры ФЭУ-30, а на рис. 116—схема делителей на­

Описанные выше схемы для регистрации очень слабых световых потоков могут найти широкое применение в самых различных об­ ластях физического эксперимента, например, в экспериментах по проверке основных положений квантовой теории, в экспериментах по обнаружению нелинейных эффектов типа рассеяния фотона фо­ тоном и т. д.

Г л а в а 3

КРИОГЕННЫЕ ПРИБОРЫ И АППАРАТЫ

Применение низкотемпературной измерительной техники в пре­ дельных измерениях имеет целый ряд очевидных преимуществ по сравнению с использованием любых других типов приборов. В первую очередь, это — более низкий уровень тепловых (найквистовских) шумов, мощность которых пропорциональна температуре: W = kTAf. Этим, однако, не исчерпываются возможности низко­ температурных устройств. Так, используя явление сверхпроводи­ мости (и сопровождающий его диамагнетизм сверхпроводников), можно создать электромагнитные экраны с весьма высоким коэф­ фициентом экранирования, вплоть до достижения абсолютного экранирования при использовании эффекта квантования магнит­ ного потока. Кроме того, применение сверхпроводников позволяет по существу изготовить целый ряд новых типов измерительных приборов с очень высокой чувствительностью как по току, так и по напряжению (вплоть до ІО-17 В), а использование такого свойства жидкого гелия II (Т = 3,18° К), как сверхтеплопроводность, дает возможность осуществить весьма эффективную температурную ста-

223

билпзацию. Все эти далеко не полностью перечисленные преиму­ щества криогенных приборов делают их применение очень перспек­ тивным даже несмотря на некоторое усложнение аппаратуры и ус­ тановок, связанное с необходимостью иметь дыоары и другое до­ полнительное оборудование.

Вэтой главе будут рассмотрены некоторые методы измерений

иприборы, работающие при криогенных (гелиевых) температурах с использованием эффекта сверхпроводимости и ее квантовых свойств. Описываемые здесь приборы, как правило, служат для измерения малых токов и напряжений в низкоомных цепях.

§ 1. Сверхпроводящий гальванометр постоянного тока

Как уже отмечалось нами выше (см. разд. 2, § 5), предельная чувствительность гальванометра зависит от температуры Т его де­ талей (в частности, рамки и нити системы подвеса) и определяется формулой

магнитный момент системы подвеса, Я — напряженность магнит­ ного поля, создаваемого измеряемым током /).

В предельном случае получим

Понижение рабочей температуры Т от 300 до 4,2° К уменьшает предельно обнаружимый ток / т1п примерно в 8,5 раза. Дальней­ шее увеличение чувствительности гальванометра может быть достиг­ нуто уменьшением суммарной жесткости к, которая определяется жесткостью нити подвеса и силой взаимодействия магнита подвеса с остаточным внешним полем Я 0 (в частности, с полем Земли).

Используя сверхпроводящие экраны, можно с помощью доволь­ но простой методики достичь уменьшения внешнего геомагнитного поля в объеме прибора примерно на 2 порядка, причем такой сверх­ проводящий экран будет одновременно служить защитой от внеш­ них наводок и медленно изменяющихся магнитных полей. Это дает возможность применять систему подвеса с постоянным магнитом, которая не требует наличия токоподводящих проводов к подвиж­ ной рамке, что способствует повышению аппаратурной (т. е. тех-

224

§ 2. Криогенный джозефсоновский потенциометр с чувствительностью І Ю “ 15 В

Для проведения измерений в цепях с очень низким сопротив­ лением (порядка ІО-5 —10 -8 Ом) в качестве высокочувствитель­ ного нуль-индикатора можно использовать туннельный переход Джозефсона, имеющий достаточно крутую вольт-амперную харак­

«индикаторную» цепь (ниобиевая проволока), магнитное поле ко­ торой влияет на величину U при воздействии этого поля на джозеф­

/ н служит «индикатором нуля». Сначала путем регулировки «тока смещения» / через переход выбирается подходящая рабочая точка на вольт-амперной кривой, при которой изменение 6£//б/н макси­ мально, причем это проводится при / 8 = 0.

При разомкнутом сверхпроводящем ключе изменяют ток через ниобиевую проволоку до тех пор, пока ток обратной связи IF не станет равным нулю. Это значение тока /и и будет «нулевым», т. е. будет служить мерой баланса нуль-индикатора. Затем, замыкая сверхпроводящий ключ, включают одновременно ток Is через со­ противление Rs и увеличивают его до тех пор, пока / я не достигнет своего «балансного» значения, отвечающего нулевому току обрат­ ной связи Ір.

1 • ІО-15 В при постоянной времени «вторичной» индикаторной цепи 1 с13. Применение обратной связи дает возможность получить столь малую постоянную времени потому, что в этом случае суммарная постоянная времени системы в | раз меньше ее собственной постоян­ ной времени (£ — коэффициент усиления в цепи обратной связи)*

13 Как известно, постоянная времени для цепи с R и L равна L!R и может й— ве­

Рис. 117. Зависимость напряжения на туннель­ ных контактах от величи­ ны «подмагничивающего»

Ток Ін,нА

Рис. 118. Блок-схема вы­ сокочувствительного криогенного потенцио­ метра

Туннельные джозефсоновские переходы, применяемые в этой схеме, могут быть сравнительно просто изготовлены следующим

способом [50].

Участок изолированной ниобиевой проволоки диаметром 0,05 мм зачищается с одной стороны на длине около 2 мм и затем быстро погружается в каплю расплавленного припоя ПОС-50, покрытую снаружи хлористым цинком.

Ток перехода I, нА

Рис. 119. Вольт-амперные характерис­ тики туннельного джозефсоновского перехода при 7'=4,22 и 2,22° К

В результате между каплей и проволокой возникает пара джозефсоновских туннельных переходов, сопротивление которых ле­ жит в пределах 0,05—0,2 Ом при комнатной температуре.

На рис. 119 приведены вольт-амперные характеристики тун­ нельного перехода при Т = 4,22 и 2,22° К. Хотя для различных переходов эти кривые несколько отличаются друг от друга, причем их вид может зависеть также и от предшествующего воздействия магнитного поля и температуры на образец, тем не менее в неизмен­ ных условиях работы, когда переход защищен от электрических переходных процессов и внешних полей и стабилизирован по тем­ пературе, то его U — I характеристики являются очень стабиль­ ными. Типичная токовая чувствительность переходов (по магнит­ ному действию тока / н) составляет обычно около 0,1 мВІмА при Т = 4,2° К и рабочей точке, выбранной на достаточно длинном крутом участке функции U = U (/).

Особо следует остановиться на изготовлении РЬ — Nb-контак- тов, поскольку ниобий практически чрезвычайно плохо поддается лужению (он окисляется даже при нагреве паяльником, и его по­ верхность приобретает синевато-фиолетовый цвет за счет возник­ новения окисла ниобия. Эта пленка обладает изоляционными свой­ ствами и является достаточно прочной).

Для изготовления контактов РЬ — Nb может быть использован следующий прием.

Свинцовый стержень вставляется в цилиндр из ниобия, затем этот узел погружается в СС14 и подвергается всестороннему (по по­ верхности цилиндра) обжатию до тех пор, пока диаметр ниобиевой трубки со свинцовым стержнем не уменьшается в 2 раза. При таком

228

ществляется с помощью точечной сварки. Таким же путем к ниобию можно приваривать некоторые другие металлы, например пла­ тину.

Предельная чувствительность джозефсоновского «нуль-индика­ тора» определяется главным образом термическими «шумами», которые обусловлены нестабильностью температуры отдельных узлов измерительной схемы. Так, выше A-точки жидкого гелия вследствие температурных градиентов происходит дрейф напря­ жения порядка ІО-13 В/мин. Эти шумы могут быть полностью исключены при использовании жидкого Не ниже A-точки, когда в силу очень большой его теплопроводности всякие температурные градиенты исчезают. При этом шумы имеют порядок ~(10_15-=- Ч-10~1е) В. Природа этих шумов может быть различной — это мо­ гут быть различные наведенные паразитные напряжения, помехи от переходных процессов, нестабильность поддержания темпера­

можно применить для изготовления различных приборов и датчи­ ков, использующих эффект Джозефсона. Так, например, могут быть сравнительно просто сделаны очень чувствительные магни­ тометрические датчики [53, 54], где в качестве туннельных пере­ ходов используются либо точечные контакты Nb — Nb, Pb — Nb [53], либо «вплавленные» контакты, которые дают очень стабильные характеристики и практически не изменяются в течение длительного времени в отличие, например, от структур металл — изолятор — металл (М — / — М) типа «слоеного пирога», которые требуют хранения при низких температурах ввиду неустойчивости слоя по отношению к термодиффузии.

Величина тока / н, а также и величина сопротивления R для джозефсоновского контакта должны лежать в определенных интер­ валах, поскольку наблюдение интерференционных эффектов в джозефсоновских барьерах возможно только при выполнении опреде­ ленных условий.

Так, если энергия связи

(5.42)

(А — эффективная энергетическая щель для сверхпроводников, R — сопротивление барьера, qe — заряд электрона) мала по срав­ нению с тепловым шумом источника тока (находящегося при ком­ натной температуре), равным —^10—30 R Дж, то этот токовый шум может привести к нарушению фазовых корреляций и подавлению интерференционной картины, что имеет место для R > (10 Ч- -Ч-20) Ом [53].

229

С другой стороны, энергия связи джозефсоновского барьера может быть записана в виде [53]

вие, однако, не вполне точно, поскольку при измерениях на об­ разцах с двумя джозефсоновскими барьерами (типа двухконтакт­

ного кольца) энергия связи может быть записана в виде Ѵ8 (CDQ/L), где Ф 0 есть квант магнитного потока. В частности, при L ~10-8 Г эта энергия соизмерима с kT уже при Т = 4,2° К, что и дает воз­

§ 3. Сверхпроводящие модуляторы и усилители

Используя такие свойства сверхпроводников, как идеальный диамагнетизм и возможность перехода из нормального состояния в сверхпроводящее и обратно при изменении магнитного поля или температуры в небольших пределах, можно сконструировать моду­ ляторы магнитного потока или электрического тока [55—57], на основе которых могут быть построены высокочувствительные уси­ лители постоянного тока с собственным шумом порядка 10-11 В или менее.

В этом усилителе используется магнитная модуляция сопротив­ ления танталовой проволоки, которая соединена последовательно с низкоомным источником исследуемого напряжения и первичной обмоткой миниатюрного низкочастотного трансформатора, который также находится в ванне с жидким гелием.

тирующий низкочастотный сигнал поступает на вход усилителя переменного тока. Такая схема позволяет исключить влияние пара­ зитных термо-э. д. с. в проводах, идущих к усилителю, и делает работу всей схемы весьма стабильной.

В качестве модулируемого звена входной цепи используется танталовая проволока диаметром 0,0008 см, критическое поле Нс кото­ рой при Т = 4,2° К равно 60 гс, а сопротивление в нормальном со­ стоянии составляет около 0,1 Ом. Проволока покрыта слоем лака

230