Диссертация (1104762), страница 16
Текст из файла (страница 16)
рис. 5.3б).Для дальнейшего измерения (и использования) активной электрически малой антенны все выходы, подключенные к земле, (cp1, cp2, cl1_out, cl2_out) были соединены в «гелиевой» части. Все выходы (включая соединенные), а такжеотдельный земляной провод выводятся в «комнатную» часть (находящуюся принормальных условиях), где соединяются с BNC-разъемами (см. рис. 5.3д и 5.3е).В качестве источника внешнего магнитного потока использовалась внешняякатушка индуктивности, также помещенная в жидкий гелий (см. рис. 5.3в). Отво-83ды катушки были выведены в «комнатную» часть на BNC-разъемы. Для удобствадальнейшей экспериментальной работы от катушки были сделаны дополнительные отводы.Полностью «гелиевая» часть держателя изображена на рисунке 5.3г.
Помимо площадки для крепления микросхемы и катушки она содержит крепление длямагнитного экрана.5.1.2. Проведение измеренийОсновными характеристиками сверхпроводящих квантовых решеток иантенн, изготовленных на их основе, являются вольт-амперные характеристики ивольт-полевые характеристики (отклики на внешнее магнитное поле). Для сверхпроводящих квантовых решеток на основе дифференциальных квантовых ячееквольт-полевые характеристики могут быть измерены как для одного плеча ячейки,так и для всей структуры с дифференциальным включением плеч. Вольт-полеваяхарактеристика всей структуры и будет искомым высоколинейным откликом напряжения на магнитный поток.
Для полноценного анализа структуры необходимопроведение измерения характеристик как для одного плеча, так и для дифференциально включенных плеч.Описанные и предложенные в следующих подразделах методы проведенияэкспериментального исследования являются универсальными и с небольшими изменениями могут быть использованы для изучения как других СКР (на основе бисквидов и иных базовых ячеек), так и большинства устройств аналоговой сверхпроводниковой электроники.5.1.2.1. Получение вольт-амперной характеристикиКлючевой характеристикой любой структуры на основе джозефсоновских переходов является вольт-амперная характеристика (ВАХ), которая необходима дляопределения критического тока структуры и нормального сопротивления структуры (и, зная топологию, среднего критического тока и нормального сопротивления одного джозефсоновского перехода); размытие ВАХ структуры в точке перехода от сверхпроводящего состояния к резистивному позволяет оценить разброс критических токов различных переходов.
Изменение внешнего магнитногополя, приводящее к модуляции ВАХ (см. рис. 1.5), позволяет сделать выводы о84Рисунок 5.2 – Совмещенный фотошаблон прототипаактивной электрически малой антенны с 588 дифференциальными квантовымиячейками в плече.(а)(г)(б)(д)(в)(е)Рисунок 5.3 – (а) Микросхемы размером 5 × 5 мм2 с прототипом активной электрически малойантенны с 588 переходами в плече, соединенная посредством импульсной сваркис коннектором.
(б) Микросхема, закрепленная в охлаждаемой («гелиевой») частидержателя микросхем. (в) «Гелиевая» часть держателя с установленной катушкойиндуктивности. (г) «Гелиевая» часть держателя. (д,е) Держатель микросхем, загруженный в сосуд Дьюара с жидким гелием.85CoilГенераторпилообразногосигналаIcoilcl1outIcl1>1 kΩcl1inVout1ib1Ib1(б)cp1cp2YОсциллограф сXY-разверткойVout2cl2in, VXib2V=I·RN0ICcl2out0,(а)I(в)Рисунок 5.4 – (а) Схема проведения эксперимента по определению вольт-амперной характеристики одного плеча активной электрически малой антенны на основе сверхпроводящейквантовой решетки с дифференциальными квантовыми ячейками.
Красные линии– линии задания тока питания (смещения); зеленые линии – линии снятия напряжения; синие линии - линии задания внешнего магнитного потока (сплошные – сиспользованием внешней катушки, пунктирные – с использованием линии заданиямагнитного смещения). (б) Пример получаемой осциллограммы вольт-амперной характеристики (ось ординат – значения тока питания, ось абсцисс – значения напряжения).
(в) Типичная вольт-амперная характеристика объекта испытаний, из которой можно определить критический ток ICΣ структуры и нормальное сопротивление RN Σ структуры.поведении вольт-потоковой характеристики (ВПХ) и определить размах ВПХ понапряжению.На рисунке 5.4а изображена схема эксперимента по определению ВАХ. Ток снизкочастотного генератора пилообразного сигнала подается в качестве тока питания Ib1 на вывод микросхемы ib1 (или ib2 при рассмотрении другого плеча), а также через высокоомное сопротивление на вход канала Y осциллографа сXY-разверткой.
Напряжение на вход канала X осциллографа снимается с выводовVout1 и cp2 микросхемы и представляет собой падение напряжения на плечерешетки. При помощи генератора тока можно задать внешнее магнитное поле,86как используя внешнюю катушку индуктивности, так и используя линию заданиямагнитного смещения (выводы cl1_in и cl1_out микросхемы).На рисунке 5.4б приведен пример осциллограммы вольт-амперной характеристики, получаемой при таком экспериментальном исследовании. На экране осциллографа по оси ординат отложены значения тока смещения8 , по оси абсцисс– значения напряжения на структуре.Критический ток структуры ICΣ можно определить как ток, при достижениикоторого измеряемое напряжение перестает быть равным нулевому значению, анормальное сопротивление структуры RN Σ – по коэффициенту наклона асимптоты ВАХ при токах больших критического (см.
рис. 5.4в). На основании измеренных ICΣ и RN Σ можно произвести расчет критического тока IC и нормальногосопротивления RN джозефсоновских переходов по следующим формулам (дляструктур на основе дифференциальной ячейки):IC = ICΣ /(K · NP ); RN = RN Σ · KNP /NS ,(5.1)где NP – число параллельно соединенных квантовых ячеек; NS – число последовательно соединенных квантовых ячеек; K – число переходов в плече дифференциальной ячейки.Например, по приведенной на рисунке 5.4б ВАХ можно определить критический ток структуры ICΣ ≈ 1,8 дел × 200 мВ/дел/1 кОм ≈ 0,36 мА, а нормальное сопротивление RN Σ ≈ 10 Ом.
Наблюдаемый наклон сверхпроводящего участка обусловлен малыми резисторами, включенными между ячейками для устранения геометрических резонансов.5.1.2.2. Получение вольт-полевой характеристики одного плечаДругой измеряемой характеристикой является вольт-полевая характеристика(ВПХ) – отклик напряжения на внешний магнитный сигнал. Отклик, полученныйдля одного плеча СКР на основе дифференциальной квантовой ячейки, позволяетпредварительно подобрать величину тока питания, определить размах дифференциального отклика. Дальнейшая обработка отклика одного плеча (в предположении, что в результате изготовления плечи получились одинаковы) или раздельных8В единицах напряжения – для перевода в токовые единицы следует величину в единицах напряжения разделитьна величину высокоомного сопротивления, через которое генератор сигнала подключен к осциллографу.87CoilIcoilГенераторпилообразногосигналаcl1outIcl1>1 kΩcl1inVout1ib1cp1IB1cp2Xib2YОсциллограф сXY-разверткойVout2cl2incl2out(а)(б)Рисунок 5.5 – (а) Схема проведения эксперимента по определению вольт-полевой характеристики одного плеча активной электрически малой антенны на основе сверхпроводящейквантовой решетки с дифференциальными квантовыми ячейками.
Красные линии– линии задания тока питания (смещения); зеленые линии – линии снятия напряжения; синие линии - линии задания внешнего магнитного потока (сплошные – сиспользованием внешней катушки, пунктирные – с использованием линии заданиямагнитного смещения). (б) Пример получаемой осциллограммы вольт-полевой характеристики (ось ординат – значения внешнего магнитного поля, ось абсцисс –значения напряжения).откликов двух плеч позволяет построить дифференциальные отклики для любойвеличины смещения по магнитному потоку.На рисунке 5.5а приведена схема эксперимента по определениювольт-полевой характеристики плеча дифференциальной квантовой ячейки.
В отличие от эксперимента по определению ВАХ, ток с низкочастотного генератора пилообразного напряжения служит для задания внешнего поля (посредствомвнешней катушки или с использованием линии задания магнитного смещения), аток питания (смещения) задается генератором постоянного тока и не изменяетсяпри снятии ВПХ.Пример получаемой характеристики приведен на рисунке 5.5б.
По оси ординат отложены значения внешнего магнитного поля, по оси абсцисс – значения88CoilIcoilГенераторпилообразногосигналаcl1out>1 kΩcl1inVout1ib1cp1IB1IF rustcp2IB2ib2Vout2Xcl2inYОсциллограф сXY-разверткойcl2out(а)(б)Рисунок 5.6 – (а) Схема проведения эксперимента по определению вольт-полевой характеристики активной электрически малой антенны на основе сверхпроводящей квантовойрешетки с дифференциальными квантовыми ячейками.
Красные линии – линии задания тока смещения; зеленые линии – линии снятия напряжения; синие линии линии задания внешнего магнитного потока; оранжевые – линии задания магнитного смещения плеч дифференциальной квантовой ячейки. (б) Пример получаемойосциллограммы вольт-полевой характеристики (ось ординат – значения внешнегомагнитного поля, ось абсцисс – значения напряжения)напряжения на структуре.
По полученной зависимости напряжения можно определить размах отклика напряжения (диапазон изменения напряжения) и крутизнупреобразования (наклон линейного участка) с учетом градуировочной зависимости магнитного поля от тока в катушке.5.1.2.3. Получение вольт-полевой характеристики структуры на основедифференциальной квантовой ячейкиОсновной характеристикой активной электрически малой антенны являетсявольт-полевая характеристика, описывающая зависимость напряжения на выходеантенны от внешнего магнитного потока.На рисунке 5.6а приведена схема эксперимента по определению89Coilcl1outcl1inVout1ib1cp1cp2ib2Vout210 9 8 7 6 5 4 3 2 140113912381337143615OCTOPUX3516341733183219312021 22 23 24 25 26 27 28 29 30Персональныйкомпьютерcl2incl2outРисунок 5.7 – Схема проведения экспериментов с использованием автоматизированного анализатора сверхпроводящих цепей OCTOPUX.вольт-полевой характеристики антенны на основе дифференциальной квантовойячейки.
В данном эксперименте (в отличии от описанных ранее) участвуют обаплеча дифференциальной ячейки. С помощью тока управляющей линии IF rustв каждое плечо задается магнитное смещение, равное по абсолютной величине,но противоположное по знаку. Внешнее магнитное поле прикладывается посредством катушки. Пример получаемой характеристики приведен на рисунке 5.6б.По оси ординат отложены значения внешнего магнитного поля, по оси абсцисс –значения напряжения на структуре.5.1.2.4.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
