Диссертация (1104762), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Использование автоматизированного анализатора сверхпроводящихцепейПомимо применения экспериментальной установки на основе генератора пилообразного сигнала, источников тока и осциллографа для дальнейшего экспериментального изучения и получения характеристик применялся автоматизированный анализатор сверхпроводящих цепей OCTOPUX (см. рис. 5.7). Программноаппаратный комплекс OCTOPUX [99] представляет собой автоматизированный90анализатор на базе персонального компьютера под управлением операционнойсистемы LINUX и блока сопряжения с держателем микросхем.
Блок сопряженияпозволяет производить измерение напряжения со скоростью сбора 400 Гц и эффективным среднеквадратичным шумом 0,15 мкВ и точностью 1 мкВ. Комплексобеспечивает точность задания тока 1 мкА в диапазоне от −5 мА до 5 мА.Экспериментальное исследование проводится автоматически на основе заранее разработанного исследователем алгоритма, написанного на низкоуровневомязыке Lisp [100]. При помощи данных алгоритмов можно реализовать автоматическое снятие вольт-амперных, вольт-полевых и иных характеристик, применяяте же схемы эксперимента, что и для «традиционной» экспериментальной установки.Автоматизированный анализатор сверхпроводящих цепей позволяет получатьсемейства зависимостей и проводить всестороннее исследование структур. Дляпредварительного анализа, проверки работоспособности и выбора рабочего режима активной электрически малой антенны и иных сверхпроводящих структурцелесообразнее использовать осциллограф и лишь затем OCTOPUX.5.2.
Результаты экспериментального исследованияНа рисунке 5.8 изображены результаты экспериментального изучения вольтамперных характеристик плеч экспериментального прототипа электрически малых антенн, полученные с использованием автоматизированного анализаторасверхпроводящих цепей OCTOPUX. Отклики левого и правого плеча совпадают,следовательно изготовленная микросхема отвечает заданным техническим требованиям и позволяет использовать дифференциальное включение плеч для получения результирующего отклика. Критический ток плеч составляет IC = 1,4 ±0,02 мА, нормальное сопротивление RN = 94 ± 2 Ом, что соответствует ожидаемым значениям с учетом технологического разброса параметров, который можетсоставлять до 10%.На рисунках 5.9 приведены результаты изучения вольт-полевых характеристик плеч прототипа.
При помощи анализатора OCTOPUX были измерены ВПХдля различных значений тока смещения. На рисунке 5.9б изображенывольт-полевые характеристики при величинах тока смещения 1,375 мА (меньшекритического тока структуры IC ); 1,400 мА (критический ток структуры IC );1,425; 1,450; 1,475; 1,525 и 1,600 мА (на 1,7%; 3,6%; 5,4%; 8,9% и 14% больше91300,1500-150-300-3,0-1,50,01,53,0I ,BРисунок 5.8 – Вольт-амперная характеристика плеч экспериментального прототипа электрическималых антенн. Критический ток плеча IC = 1,4 мА, нормальное сопротивлениеRN = 94 Ом. Отклики левого и правого плеча совпадают.160,1401201,3751001,4001,4251,450801,4751,5251,60060-25-20-15-10-50510152025,(а)(б)Рисунок 5.9 – Вольт-полевые характеристики плеча экспериментального прототипа электрическималых антенн.
(а) Осциллограмма, (б) ВПХ, полученная с использованием автоматизированного анализатора сверхпроводящих цепей OCTOPUX, для различныхзначений тока смещения.92401,400201,4251,450,1,4751,5000-20-40-15-10-5051015,(а)(б)606045453030I1515Frust,,-1,0IFrust-0,800-0,6-1,00-0,75-0,4-15-0,50-15-0,2-0,250,00,2-300,00-300,250,40,500,6-45-450,80,751,001,0-60-20-15-10-505101520-60-20-15-10-50,(в)5101520,(г)Рисунок 5.10 – Вольт-полевые характеристики экспериментального прототипа электрически малых антенн. (а) Осциллограмма, (б) ВПХ, полученная с использованием автоматизированного анализатора сверхпроводящих цепей OCTOPUX, для различныхзначений тока смещения. Величина тока задания магнитного смещения IF rust =0,450 мА. (в,г) ВПХ для различных значений тока задания магнитного смещенияIF rust для токов смещения (в) Ib = 1,4 мА и (г) Ib = 1,425 мА.9340,200-20-40-10,0-7,5-5,0-2,50,02,55,07,510,0,Рисунок 5.11 – Вольт-полевые характеристики экспериментального прототипа электрически малых антенн при IF rust = 0,700 мА и токе смещения Ib = 1,425 мА.IC ).
Для дальнейшего исследования вольт-полевых характеристик всей структуры на основе дифференциальной квантовой ячейки был выбран диапазон токовсмещения 1,4 − 1,45 мА.Вольт-полевые характеристики всей структуры приведены на рис. 5.10. На рисунке 5.10б изображена серия ВПХ для различных значений тока смещения (токи смещения обоих плеч задаются равными, так как было показано, что их ВАХодинаковы) при токе задания магнитного смещения IF rust = 0,450 мА. На рисунке 5.10в и 5.10г изображены ВПХ для различных величин тока задания магнитного смещения для токов смещения Ib = 1,4 мА (рис.
5.10в) и Ib = 1,425 мА(рис. 5.10г). Размах отклика напряжения достигает величины в 100 мВ.Наиболее оптимальная вольт-полевая характеристика изображена на рисунке 5.11, полученная при токе задания магнитного смещения IF rust = 0,700 мА итоке смещения Ib = 1,425 мА. Полученное значение амплитуды по напряжениюсоставляет 85 ± 4 мВ, а крутизна преобразования магнитной составляющей принимаемого сигнала равняется (dB/dV ) = 8300 ± 300 мкВ/мкТл.Чувствительность такой антенны можно оценить по шумам на выходе следующим образом (k – постоянная Больцмана, T – температура):V ×2(dB/dV )=√8kT RN × (dB/dV ) ≈ 2,6 · 10−14 Тл/Гц1/2 .(5.2)945.3. Заключение к главе 5Глава посвящена экспериментальному изучению прототипа активной электрически малой антенны на основе СКР из дифференциальных квантовых ячеек.
Результатом экспериментов явилось подтверждение теоретических и численных исследований.С использованием стандартной ниобиевой тонкопленочной технологии сплотностью критического тока джозефсоновских элементов 4,5 кА/см2 был изготовлен прототип антенны, содержащей 588 дифференциальных квантовых ячеекс оптимизированной топологией и занимающий площадь 4,3 мм×4,3 мм на кремниевой подложке размером 5 мм × 5 мм.Для выполнения экспериментального изучения прототипа активной электрически малой антенны, охлаждаемой жидким гелием внутри сосуда Дьюара, былразработан специальный держатель микросхемы, на котором располагалась такжемноговитковая катушка для задания магнитного поля, перпендикулярного плоскости чипа.Были исследованы вольт-амперные и вольт-потоковые характеристики плечактивной электрически малой антенны, а также отклик напряжения всей ЭМА навнешний магнитный сигнал.
Достигнуты значения крутизны линейного преобразования магнитного сигнала в напряжение 8000 мкВ/мкТ с размахом отклика напряжения до 100 мВ, что позволяет сделать прогнозную оценку чувствительностиантенны на уровне 3 · 10−14 Тл/Гц1/2 .95Выводы диссертационной работыВ диссертационной работе выполнено исследование сверхпроводящих квантовых решеток (СКР) на основе дифференциальных квантовых ячеек для создания широкополосных активных устройств, в том числе широкополосных активных электрически малых антенн (ЭМА). Получены следующие основные результаты.1. Выполнен аналитический и численный анализ дифференциальных квантовыхячеек, направленный на оптимизацию параметров ячеек и режимов их работы.Показано, что использование таких ячеек в основе сверхпроводящих квантовых решеток позволяет достичь линейности выходного напряжения в ненагруженном состоянии до 100 дБ.2.
Выполнено исследование влияния нагрузки на линейность выходногонапряжения сверхпроводящей квантовой решетки как активного двухполюсного элемента. Показано, что влияние достаточно высокоомной нагрузки может быть в значительной степени скомпенсировано за счет коррекции тока смещения. Для достижения линейности на уровне 90 дБ импеданс нагрузки должен на порядок превышать импеданс решетки.3. Разработана стратегия оптимального сопряжения активной электрически малой антенны с последующими элементами приемной системы с низким входным импедансом, такими как сверхпроводниковый аналого-цифровой преобразователь, импеданс которого составляет несколько ом.
Необходимые мерывключают в себя уменьшение импеданса антенны за счет структуры электрического соединения квантовых ячеек в решетке, а также использование сверхпроводящего трансформатора импеданса в интерфейсе сопряжения антенны.4. Выполнено изучение размерных эффектов в активной электрически малой антенне и их влияния на линейность выходного сигнала. Показано, что наибольшее влияние (на порядок) оказывает эффект нарушения симметрии распределения магнитного потока сигнала в квантовой ячейке, который возникает прираспространении принимаемой волны вдоль цепочки джозефсоновских переходов ячейки.965.
Выполнено экспериментальное изучение прототипа активной электрическималой сверхпроводящей антенны площадью 4,3 мм × 4,3 мм на основе сверхпроводящих квантовых решеток, содержащей 588 дифференциальных квантовых ячеек с оптимизированной топологией, подтверждающее результаты теоретических исследований.
Достигнуты значения крутизны линейного преобразования магнитного сигнала в напряжение 8000 мкВ/мкТ с размахом (удвоенная амплитуда) отклика напряжения до 100 мВ, что позволяет сделать прогнозную оценку чувствительности антенны на уровне 3 · 10−14 Тл/Гц1/2 .97БлагодарностиАвтор выражает искреннюю признательность своему научному руководителю Виктору Константиновичу Корневу за всестороннюю помощь в выборе темыдиссертационной работы, в постановке задачи, за внимание и постоянные советы при выполнении данной работы.Отдельно автор выражает благодарность Алексею Владимировичу Шарафиеву за плодотворное обсуждение особенностей численного анализа и помощьв реализации экспериментального исследования.Особо хотелось бы поблагодарить Игоря Игоревича Соловьева за интерес кработе и полезные обсуждения особенностей разработки и производстваустройств сверхпроводниковой электроники.Автор благодарит Николая Викторовича Кленова и Олега АлександровичаМуханова за внимание и поддержку, оказанные ими в процессе подготовки рабочих материалов диссертации.Выражаю благодарность заведующему кафедры атомной физики, физикиплазмы и микроэлектроники Александру Турсуновичу Рахимову и всему коллективу кафедры за доброжелательную атмосферу в процессе обсуждения и подготовки диссертационной работы.98Список сокращений и терминовСписок сокращений и условных обозначенийАЦПВАХВПХСКВИДСКИФСКРЭМААналого-цифровой преобразовательВольт-амперная характеристикаВольт-потоковая характеристикаСверхпроводящий квантовый интерференционный датчикСверхпроводящий квантовый интерференционный фильтрСверхпроводящая квантовая решеткаЭлектрически малая антеннаСписок терминовКриоэлетроникаНаправление функциональной электроники, связанное с исследованиемэлектронных эффектов в твердом теле при криогенной температуре (0 −120 К) и созданием на этой основе криоэлектронных приборов, блоков исистем [101].Сверхпроводниковая (крио)электроникаРаздел криоэлектроники по созданию криоэлектронных приборов, блокови систем на основе использования сверхпроводимости или эффекта Джозефсона, возникающих в сверхпроводящих структурах [101].Ширина полосы пропусканияДиапазон частот, в котором качество антенны соответсвует определенномустандарту по некоторым характеристикам [82].Электрически малая антеннаАнтенна, размеры которой таковы, что она может быть помещена в сферу,диаметр которой мал по сравнению с длиной волны на рабочей частоте[82].99Список печатных работ автора по материалам диссертацииI.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
