Контрольные вопросы

1. Назовите пассивные СВЧ устройства.

2. Укажите преимущества использования ВТСП в СВЧ устройствах.

3. В чем особенности работы СВЧ линии задержки на ВТСП?

4. Опишите работу ВТСП полосковой линии.

5. Как работают ВТСП фильтры?

6. Как работают ВТСП резонаторы?

7. Где используются S–Nпереходы?

3.2. Болометры

Одним из перспективных и, по-видимому, наиболее просто реализуемых устройств на базе ВТСП пленок являются широкополосные детекторысубмиллиметрового, ИК – и оптического излучения, основанные на болометрическом эффекте, либо на других эффектах, существенно использующие особенности неравновесного состояния сверхпроводника. В этих системах, применяемых в медицине, геологии, астрономии, промышленности, на вход приемников теплового излучения попадает сигнал такой малой мощности, которую неохлаждаемые приемники даже не в состоянии обнаружить.

В отличие от фотонных приемников, работа которых связана с генерацией носителей заряда под действием поглощенных фотонов из валентной зоны или примесного уровня, сигнал на выходе тепловых приемников зависит от мощности поглощенного излучения и не зависит от его спектрального состава. Это позволяет создавать многоспектральные приемные устройствана основе только одного типа теплового приемника. Если в видимом, ближнем и среднем ИК диапазонах преимущество фотонных фотоприемников неоспоримо, то по мере освоения более длинноволнового ИК излучения повышается конкурентоспособность тепловых приемников. Это особенно проявляется при использовании тепловых приемников для обнаружения собственного излучения объектов, находящихся на низкотемпературном фоне. В сверхдальнем ИК диапазоне фотонные приемники уже не применимы.

Основными параметрами, характеризующими приемники являются: вольт-ваттная чувствительность, постоянная времени, порог чувствительности и обнаружительная способность.

Интегральная чувствительностьSесть отношение приращения электрического сигнала на выходе приемника ∆Uк приращению падающего потока ∆W

· (3.12)

Чаще всего выходной сигнал измеряется в виде напряжения, в этом случае интегральная чувствительность называется вольт-ваттной. Ее величина определяет крутизну преобразования лучистой энергии в электрический сигнал и позволяет оценить приемник с точки зрения его согласования с усилителем.

Постоянная времениτопределяет частотную характеристику приемника. Для тепловых приемников в случае синусоидально – модулированного сигнала частотная зависимость чувствительности приемника имеет вид:

. (3.13)

Частота модуляции, при которой чувствительность уменьшается в раза по сравнению с чувствительностью на нулевой частотеS₀, называется граничной частотой модуляцииf_гр. Характеристическое время называемое постоянной времени приемника излучения:

. (3.14)

Постоянная времени зависит от конструкции приемника.

Порог чувствительностиP_n(или эквивалентная мощность шума) характеризует возможность выделения слабых сигналов на фоне шума и определяется как минимальное значение лучистого потока, вызывающего на выходе сигнал, равный напряжению шумовU_ш:

, (3.15)

где ∆f– единичная полоса пропускания.

Поглощенная мощностьзависит от площади приемной площадкиА, поэтому для сравнения приемников с различной геометрией часто применяется наиболее универсальный параметр – обнаружительная способность:

. (3.15)

Обнаружительная способностьидеальных тепловых приемников, ограниченная лишь тепловыми флуктуациями с энергиейkTатомов кристаллической решетки материала, из которого изготовлен приемник:

, (3.16)

где - постоянная Стефана-Больцмана.

Из последнего выражения следует, что для достижения высоких пороговых параметров целесообразно применять глубокое охлаждение.

Сверхпроводниковые болометрыпредставляют собой особый класс тепловых приемников и основаны на резком изменении сопротивления при переходе сверхпроводниковых материалов из нормального состояния в сверхпроводящее. Основными преимуществами сверхпроводниковых болометров является высокая интегральная чувствительность (достигающая на лучших образцах – 10⁶В/Вт при быстродействии около 100 мкс) и низкие шумы, позволяющие достичь значений обнаружительной способности порядка 10¹⁴м · Гц^½Вт^-1. Среди известных одноэлементных конструкций сверхпроводниковых болометров основными являются (рис. 3.6): неизотермический болометр на тонкой подложке (а), неизотермический болометр с теплоизолирующей областью (б), изотермический болометр с выделенной мишенью (в), болометр на твердой подложке (г).

Рис.3.6. Основные типы сверхпроводниковых болометров: 1 – приемная площадка, 2 – теплоизолирующая область, 3 – теплопроводящее основание, 4 – электрические контакты

Среди одноэлементных сверхпроводниковых болометров можно выделить два основных класса: быстродействующие, к которым относятся болометры на твердой подложке, и высокочувствительные, в которых для повышения чувствительности уменьшается тепловая связь между теплопроводящим основанием и приемной площадкой. Достигнутые наименьшие значения постоянной времени одноэлементных болометров на твердой подложке составляют 20 нс (при чувствительности 1,7·10³В/Вт). Наибольшая чувствительность болометров на тонкой подложке при τ=4·10^-3с может достигать значений порядка 10⁶ В/Вт.

Для правильно сконструированного болометра инвариантом, не зависящим от теплопроводности границы приемный элемент – термостат, является произведение:

, (3.17)

где С– теплоемкость приемного элемента;

G– теплопроводность.

Таким образом:

. (3.18)

Анализ этого простого выражения показывает, что увеличение температуры с 4,2 до 77 К должно привести к резкому ухудшению чувствительности. Так, порог чувствительности при сохранении быстродействия уменьшается на 4 порядка (10^-13Вт/Гц^½). Однако даже такие устройства, не обладающие рекордными параметрами, находят применение, поскольку в длинноволновой области спектра они не имеют конкурентов. Пироэлектрические приемники и ячейки Голея имеют эквивалентную мощность шума на три порядка хуже (10^-10Вт/Гц^½). Проблемы, которые возникают при создании ВТСП болометров, связаны с уменьшением теплоемкости системы пленка – подложка, что и следует из выражения (3.18).

Альтернативой традиционному болометру является прибор, использующий детектор на гранулированных ВТСП пленках, сопротивление которого возрастает при подавлении излучением критических токов слабых связей, соединяющих гранулы. Таким детекторам, однако, присущ ряд недостатков, в частности, довольно высокий уровень избыточных шумов.

Более перспективное устройство, т. н. электронный болометр, в котором за счет создания определенных условий излучение разогревает только электронную подсистему в пленке сверхпроводника, а фононы остаются в равновесии и служат для электронов термостатом. Как отмечалось, времена электронфононной релаксации в пленках ВТСП исключительно короткие: для гелиевых температур порядка 20 нс, для азотных – порядка 1 нс. Такие болометры будут обладать пикосекундным быстродействием и сравнительно высокой чувствительностью.