Многоэлементные джозефсоновские структуры для реализации высоколинейных широкополосных устройств (1103888)
Текст из файла
На правах рукописиШарафиев Алексей ВладимировичМногоэлементные джозефсоновские структурыдля реализации высоколинейныхширокополосных устройств01.04.04 – физическая электроникаАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2013Работа выполнена на кафедре атомной физики, физики плазмы имикроэлектроники физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физ.-мат. наук, профессор кафедрыатомной физики, физики плазмы и микроэлектроники Физического факультетаМГУ Корнев Виктор КонстантиновичОфициальные оппоненты:доктор физ.-мат. наук, ведущий научныйсотрудник Института радиотехники и электроники (ИРЭ) РАН Тарасов МихаилАлександровичкандидат физ.-мат. наук, доцент кафедрыобщей экспериментальной физики Московского педагогическогогосударственного университета (МПГУ) Корнеев Александр АлександровичВедущая организация:Физико-технологическийинститутРАН,МоскваЗащита диссертации состоится «3» октября 2013 года в 16 часов 30 минут назаседаниидиссертационногосоветаД 501.001.66приМосковскомгосударственном университете имени М.
В. Ломоносова по адресу: 119991,Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2, Физический факультет МГУ, ауд..С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке МГУ имениМ. В. Ломоносова.Автореферат разослан «26» августа 2013 годаУченый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.66, к. ф.-м. н.И. Н. КарташовОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫДиссертационная работа посвящена изучению физических основ созданиямногоэлементных джозефсоновских структур, в которых увеличение динамическогодиапазона обеспечивается увеличением числа элементарных ячеек, а требуемая высокаялинейность функции преобразования магнитного сигнала (магнитной компонентыэлектромагнитного сигнала) в напряжение достигается за счет использованияспециально разработанных ячеек с высоколинейным откликом напряжения.
Такиеструктуры могут быть использованы для создания активных высокочувствительныхширокополосных устройств, включая усилители и активные электрически малыеантенны.Актуальность темыИспользование макроскопических квантовых эффектов в сверхпроводниках,позволяет создавать аналоговые и цифровые устройства с характеристиками,недоступными для полупроводниковой электроники. Высокое быстродействие, высокаячувствительность,предельнонизкаяэнергияпереключенияджозефсоновскихэлементов EJ = 0IC = 2∙10-15 Вб х 10-4 А = 2·10-19 Дж открывают большие перспективыдля разработки устройств, которые способны работать в более высоких диапазонахчастот сигналов, обеспечивать более высокие скорости обработки информации ипредельно высокую чувствительность.
Так, на основе сверхпроводящих квантовыхинтерферометров, или сквидов (англ.: SQUID – Superconducting Quantum InterferenceDevice), которые имеют энергетическое разрешение порядка 10-30…10-32 Дж/Гц, то естьблизкое к постоянной Планка h, созданы высокочувствительные магнитометры,нашедшие применение в магнитокардиографии, магнитоэнцефалографии, геофизике,устройствах неразрушающего контроля металлических конструкций и многих другихприложениях.Прогресс в области цифровых устройств на основе быстрой одноквантовойлогики, известной как RSFQ-логика (Rapid Single Flux Quantum logic) и допускающейтактовые частоты до 100 ГГц и выше, характеризуется созданием полностьюсверхпроводниковыхпроцессоров[1, 2],атакжевысокочувствительныхширокополосных аналого-цифровых преобразователей (АЦП), открывающих новыевозможности в развитии технологий приема, обработки и защиты информации наоснове широкополосных приемных систем с прямой оцифровкой входного сигнала.3Наиболее активно широкополосные приемные системы с прямой оцифровкойвходного сигнала разрабатываются в научных центрах США и Японии [3]-[12],известных своими достижениями в области цифровых устройств на основе быстройодноквантовой логики и широкополосных АЦП.
Для сверхпроводниковых АЦП,реализованных с использованием современной ниобиевой технологии, в гигагерцовомдиапазоне частот были продемонстрированы предельно низкая шумовая температура,крайне высокая линейность и динамический диапазон до 90 дБ [10], [13]-[15]. Однако внастоящее время общая эффективность разрабатываемых широкополосных приемныхсистем ограничивается антенной и следующим за ней усилителем, имеющими болеевысокую шумовую температуру, более низкую линейность и меньший динамическийдиапазон по сравнению со сверхпроводниковыми АЦП.Несмотря на рекордные достижения сверхпроводниковой электроники в областивысокочувствительныхустройствнаосновесквидов,предназначенныхдлянизкочастотных применений (до ~1 МГц), создание широкополосных низкошумящихсверхпроводниковых усилителей с большим динамическим диапазоном остаетсянерешенной, но крайне востребованной задачей. В низкочастотных устройствах наоснове сквидов, обладающих высокой чувствительностью, но в то же время, оченьмалым динамическим диапазоном и ограниченной линейностью, высокая линейность ибольшой динамический диапазон достигаются за счет использования внешней цеписледящей обратной связи [16].
В широкополосных устройствах реализовать такую цепьэффективной обратной связи не представляется возможным, и поэтому достижениетребуемыххарактеристикширокополосныхсверхпроводниковыхустройстввнастоящее время связывается с необходимостью использования многоэлементныхджозефсоновских структур. Поэтому данная работа, посвященная изучению такихмногоэлементных систем, является весьма актуальной.Цель диссертационной работы.Целью данной работы является теоретическое и экспериментальное изучениефизических основ построения многоэлементных джозефсоновских структур с высокойлинейностью преобразования магнитного сигнала в напряжение для создания на ихоснове активных широкополосных систем, в частности, активных электрически малыхантенн.4Научная новизна.Впервые получены следующие результаты:1.
Предложен новый элемент - би-сквид. Выполнен анализ условий линейности откликанапряжения, выполнены расчет и сопоставление шумовых характеристик би-сквида схарактеристиками традиционных сквидов.2. Экспериментально исследованы характеристики последовательных цепочек бисквидов;полученыоткликинапряжениянамагнитныйсигналсразмахом,достигающим 8 мВ.3.Экспериментальноисследованыхарактеристикипоследовательныхцепочекдифференциальных ячеек, состоящих из двух элементарных параллельных цепочек свзаимно противоположным магнитным смещением.
Получены отклики напряжения намагнитный сигнал, характеризующиеся размахом до 20 мВ и линейностью 60 дБ.4. Экспериментально исследованы характеристики прототипов активных электрическималых антенн трансформаторного типа размером 3,3 на 3,3 мм на основе цепочекдифференциальных ячеек. Получены крутизна преобразования магнитного сигнала внапряжение 750 мкВ/мкТ и линейность преобразования 70 дБ.5.
Экспериментально исследованы характеристики прототипов бестрансформаторныхактивных электрически малых антенн размером 3,3 на 3,3 мм на основе решетокдифференциальных ячеек. Получена крутизна преобразования магнитного сигнала внапряжение 6500 мкВ/мкТ.Практическая ценность работы.Проведеннымэффективностьвдиссертационнойпредложенногоработерешенияисследованиемзадачисозданияподтверждаетсянизкошумящихширокополосных сверхпроводниковых устройств, включая активные электрическималые антенны, посредством использования специального вида многоэлементныхджозефсоновских структур – сверхпроводящих квантовых решеток.В процессе выполнения работы был предложен и изучен теоретически иэкспериментально новый элемент сверхпроводниковой электроники - би-сквид,способный обеспечивать высокую линейность преобразования магнитного сигнала внапряжение.Разработаны принципы построения многоэлементных джозефсоновских структурна основе би-сквидов и дифференциальных ячеек с использованием ниобиевойпленочной технологии для создания электрически малых антенн активного типа,5осуществляющих одновременно прием и усиление электромагнитных сигналов.Предложены и реализованы прототипы таких антенн, как с использованиемсверхпроводящего трансформатора магнитного потока, так и бестрансформаторноготипа.Полученные результаты могут быть использованы в передовых исследовательскихцентрах и компаниях, занятых разработкой сверхпроводниковой электроники иразвитием технологий приема, обработки и защиты информации, и служить основойдля последующих опытно-конструкторских разработок в области высокоэффективныхширокополосных приемных устройств с прямой оцифровкой входного сигнала.Достоверность результатовДостоверность результатов, приведенных в диссертации, подтверждается тем,что они были получены автором с использованием современных математическихметодов, вычислительных средств и программного обеспечения, а также современныхтехнологий и экспериментального оборудования.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
