Криогенный анализатор свч-диапазона
Группа изобретения относится к приборам с использованием сверхпроводимости. Детектор сверхвысокочастотного излучения содержит вход (401) сигнала и выход (402) детектора, поглощающий элемент (404) с омической проводимостью, соединенный с входом (401) сигнала через первый отрезок (405) сверхпроводника, и элемент (406) с изменяемым импедансом, зависящим от температуры, соединенный с выходом (402) детектора через второй отрезок (407) сверхпроводника. При этом детектор содержит вход (408) для подачи тока нагрева, нагревательный элемент (409), соединенный с входом (408) через третий отрезок (410) сверхпроводника. Поглощающий элемент (404), элемент (406) с изменяемым импедансом и нагревательный элемент (409) соединены друг с другом через сверхпроводящие секции, которые короче любого из упомянутых первого отрезка (405) сверхпроводника, второго отрезка (407) сверхпроводника и третьего отрезка (410) сверхпроводника. Также заявлено детекторное устройство для обнаружения сверхвысокочастотного излучения, содержащее по меньшей мере один детектор сверхвысокочастотного излучения и схему (702) резонансного измерения. Технический результат заключается в повышении чувствительности и упрощении калибровки детектора сверхвысокочастотного излучения. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 7 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области обнаружения и измерения электромагнитной энергии на сверхвысоких частотах. В частности, настоящее изобретение относится к структуре и схеме сверхчувствительного детектора, который может обнаруживать сверхвысокочастотные сигналы с очень малыми величинами.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Способы сверхчувствительного обнаружения принятого электромагнитного излучения содержат калориметрию и болометрию. Калориметр - это устройство, в котором кратковременно увеличенная температура чувствительного элемента экспоненциально снижается до температуры окружающей тепловой ванны. В состав болометра входит чувствительный элемент и тепловая ванна, но при этом измеряется мощность (энергия за промежуток времени) - то есть средний поток входящих фотонов, а не точная энергия одного фотона.
На фиг. 1 показана схема, которая может относиться и к калориметру, и к болометру. Поступающее излучение 101 поглощается поглотителем 102 для нагревания чувствительного элемента 103 с теплоемкостью С. Затем поглощенная тепловая энергия передается в теплоотвод или в тепловую ванну 104, процесс передачи тепловой энергии определяется теплопроводностью G. Измерительное устройство 105 используется для обнаружения и измерения температуры чувствительного элемента 103 в виде абсолютного значения и/или соответствующих характеристик, например скорости изменения температуры.
Чтобы болометр "отслеживал" изменения мощности входящего сигнала, эти изменения должны быть "медленными" по отношению к тепловой постоянной времени (C/G). Другими словами, для того чтобы болометр был чувствителен к быстрым изменениям входящего сигнала требуется, чтобы значение С было маленьким, а значение G - большим. С другой стороны, термодинамическая нижняя граница эквивалентной мощности шума системы пропорциональна квадратному корню из 4*kB*Т*G, где kB - постоянная Больцмана, а Т - температура тепловой ванны. Таким образом, для того, чтобы уровень шума был низким, необходимо, чтобы теплопроводность (G) была малой, а температура (Т) - низкой.
На фиг. 2 показана схема известного сверхчувствительного болометра. Чувствительный элемент содержит материал микроскопической длины с омической проводимостью, который не становится сверхпроводящим даже при низких температурах. Этот так называемый "нормальный проводник" может быть изготовлен, например, из сплава золота с палладием, при этом в структуре детектора он содержит так называемую "длинную секцию" 201 и "короткую секцию" 202. Эта структура также содержит сверхпроводящие части - то есть, компоненты из материала, подобного алюминию, или из другого металла, который становится сверхпроводящим при температурах, до которых детектор охлаждается во время работы. Сверхпроводящие части содержат входную секцию 203, соединенную с одним концом длинной секции 201, и выходную секцию 204, соединенную с одним концом короткой секции 202. Мостовая секция 205 подключается параллельно нормальному проводнику, чтобы разделить его на длинную секцию 201 и короткую секцию 202. Один конец мостовой секции 205 заземляется через конденсатор. Все упомянутые секции помещаются в тепловую ванну 206.
Короткая секция 202 имеет малую длину, и оба ее конца подключены к сверхпроводящим секциям, при низкой температуре тепловой ванны эффект близости сделает ее слабо сверхпроводящей, в то время как длинная секция 201 обычно сохраняет свою омическую проводимость. Короткая секция 202 также является частью резонансного контура, при этом ее импеданс (который, из-за упомянутой слабой сверхпроводимости, сильно зависит от температуры) в резонансном контуре оказывает существенное воздействие на резонансную частоту резонансного контура. Входящий сверхвысокочастотный сигнал нагревает длинную секцию 201, что также приводит к соответствующему увеличению температуры короткой секции 202. Схема 207 измерения резонансной частоты измеряет результирующее изменение резонансной частоты резонансного контура, так что выходной сигнал схемы 207 измерения резонансной частоты указывает мощность входящего сверхвысокочастотного сигнала.
На фиг. 3 показан еще один вариант реализации принципа, показанного на фиг. 2. Разница по сравнению с фиг. 2 заключается в том, что на фиг. 3 чувствительный элемент содержит несколько коротких секций - 301, 302 и 303. Это помогает увеличить импеданс схемы измерения без ее нелинейности; общий принцип работы такой же, что и на фиг. 2.
Из-за того, что детекторы на фиг. 2 и 3 имеют очень высокую чувствительность, возникают проблемы, связанные с их калибровкой. Даже очень малые изменения в производственном процессе вносят значительные отклонения в результаты измерений. Конечно, можно было бы откалибровать каждый произведенный болометр индивидуально с использованием известного источника сверхвысокочастотного излучения, но формирование опорных сигналов на сверхвысоких частотах с требуемой точностью является сложным и дорогостоящим.
Документы известного уровня техники, в которых описываются известные высокочувствительные болометры, включают, например, публикации патентов FI122887B и US9255839B2.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является создание детектора и детекторного устройства для обнаружения сверхвысокочастотного излучения с очень высокой чувствительностью и относительно простой калибровкой. Другой целью настоящего изобретения является создание способа и устройств для калибровки детектора сверхвысокочастотного излучения без существенного увеличения теплоемкости чувствительного элемента. Еще одной целью настоящего изобретения является создание такого детектора сверхвысокочастотного излучения описанного типа, чтобы неизбежные изменения в производственном процессе не стали причиной ухудшения чувствительности и точности произведенных детекторов.
Эти и другие цели настоящего изобретения достигаются посредством нагревательного элемента в детекторе, который достаточно близок к другим частям детектора, чтобы мог использоваться эффект горячих электронов, в то время как одновременное использование достаточно длинных сверхпроводящих выводов приводит к блокировке паразитной передачи тепла путем переноса тепла квазичастицами.
Детектор сверхвысокочастотного излучения в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения характеризуется свойствами, изложенными в независимом пункте формулы изобретения, относящемся к детектору.
Детекторное устройство для обнаружения сверхвысокочастотного излучения в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения характеризуется свойствами, изложенными в независимом пункте формулы изобретения, относящемся к детекторному устройству.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Прилагаемые чертежи, которые включены в состав этой заявки и составляют одну из ее частей, приведены для лучшего понимания сути настоящего изобретения и совместно с описанием иллюстрируют варианты осуществления, служащие для объяснения принципов изобретения. К описанию прилагаются следующие чертежи:
на фиг. 1 показан известный принцип калориметра или болометра,
на фиг. 2 показан чувствительный элемент известного болометра,
на фиг. 3 показан чувствительный элемент другого известного болометра,
на фиг. 4 показан детектор в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения,
на фиг. 5 показано использование фильтров,
на фиг. 6 показан пример соединений в детекторе в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения и
на фиг. 7 показано детекторное устройство.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
На фиг. 4 показан детектор 400 сверхвысокочастотного излучения. Детектор содержит вход 401 сигнала и выход 402 детектора. Вход 401 сигнала - это соединение, через которое подлежащий измерению сигнал может быть подан в детектор с использованием линии передачи входящих сигналов. Выход 402 детектора - это соединение, через которое детектор может быть соединен со схемой измерения. В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, схема измерения представляет собой схему 403 резонансного измерения.
Детектор содержит поглощающий элемент, характеризующийся омической проводимостью на сверхвысоких частотах. На фиг. 4 поглощающим элементом является так называемая "длинная секция" 404 из материала с омической проводимостью, который сам по себе не становится сверхпроводящим при температурах, до которых детектор охлаждается во время работы. В качестве поглощающего материала можно использовать материал, который становится слабо сверхпроводящим для постоянного тока, при условии, что омическая проводимость наблюдается на представляющих интерес частотах. Высокочастотные фотоны могут разорвать куперовские пары (слабо) сверхпроводящего материала и, таким образом, могут быть поглощены.
Для производства поглощающих элементов могут использоваться, например, различные сплавы из золота и палладия, а также другие металлы, подобные меди, и даже неметаллические материалы, подобные графену, углеродные нанотрубки и т.п. Длина длинной секции 404 может составлять нескольких сотен нанометров, например 600-1000 нанометров, а ее минимальная ширина и толщина определяются производственными возможностями микролитографии. Во время подготовки данного описания минимальная толщина составляла от нескольких нанометров до нескольких десятков нанометров, а ширина - несколько десятков нанометров.
Поглощающий элемент соединен с входом 401 сигнала через первый отрезок 405 сверхпроводника. Указание материала как "сверхпроводника" означает, что этот материал становится сверхпроводящим при температурах, до которых детектор охлаждается во время работы. В качестве сверхпроводящих материалов может использоваться алюминий, также могут использоваться и другие сверхпроводящие материалы, такие как молибден, ниобий, олово, тантал или свинец. Во время работы детектор охлаждается до очень низкой температуры - существенно ниже одного кельвина или порядка нескольких десятков милликельвинов.
Размеры структуры, а также способ соединения поглощающего элемента с первым отрезком 405 сверхпроводника оказывают воздействие на согласование импедансов. Для обеспечения максимально возможного поглощения сверхвысокочастотных фотонов поглощающим элементом необходимо максимально точно согласовать импеданс поглощающего элемента с характеристическим импедансом линии передачи входящих сигналов, конечная часть которой является первым отрезком 405 сверхпроводника. На самом деле, хорошее согласование импедансов имеет более важное значение, чем определенные физические размеры поглощающего элемента. Согласование импедансов микроэлектронных элементов является известным процессом, и его не требуется подробно рассматривать в данном описании.
Детектор содержит элемент с изменяемым импедансом, импеданс которого изменяется в зависимости от температуры. В то время как импеданс почти всех материалов в некоторой степени зависит температуры, описание элемента как элемента с изменяемым импедансом означает, что его материал, форма и размеры выбраны таким образом, чтобы его импеданс в значительной степени зависел от температуры при температурах, до которых детектор охлаждается во время работы. Зависимость от температуры имеет важное значение с той точки зрения, достаточна ли величина изменения температуры, возникающего из-за поглощения интересующего сверхвысокочастотного излучения, для изменения импеданса элемента с изменяемым импедансом, которое может быть обнаружено используемой схемой измерения.
В качестве примера элемента с изменяемым импедансом можно привести так называемую "короткую секцию" 406 из материала с омической проводимостью, соединенную со сверхпроводящим материалом по меньшей мере в двух разных точках. Материалом короткой секции 406 может быть, например, материал, идентичный материалу длинной секции 404, либо один из материалов, указанных в качестве примеров в описании длинной секции 404 выше.
Размеры короткой секции 406 и ее соединение со сверхпроводящим материалом по меньшей мере в двух разных точках являются такими, что ее структура образует переход Джозефсона типа "сверхпроводник-нормальный металл-сверхпроводник" (S-N-S, Superconductor-Normal Metal-Superconductor). Эту структуру также можно охарактеризовать следующим образом - эффект близости, вызванный соседними сверхпроводящими секциями, делает короткую секцию 406 слабо сверхпроводящей при температурах, до которых детектор охлаждается во время работы. В качестве примера элемента с изменяемым импедансом этого типа можно привести полоску из сплава золота с палладием длиной около 200 нанометров между двумя сверхпроводящими электродами.
Переход Джозефсона типа "сверхпроводник-нормальный металл-сверхпроводник" предпочтителен для использования в качестве элемента с изменяемым импедансом, поскольку известно, что его индуктивность сильно зависит от температуры. С электрической точки зрения такой переход может рассматриваться как эквивалент катушки, индуктивность которой зависит от температуры.
Элемент с изменяемым импедансом соединен с выходом 402 детектора через второй отрезок 407 сверхпроводника. Таким образом, в электрическую цепь схемы измерения может быть включен элемент с изменяемым импедансом; электрические свойства этой электрической цепи измеряются с тем, чтобы обнаруженные изменения этих свойств сформировали основу для формирования сигнала измерения. Например, если используется схема 403 резонансного измерения, то элемент с изменяемым импедансом может быть включен в резонансный контур, резонансная частота которого измеряется.
В отличие от известных чувствительных элементов на фиг. 2 и 3, детектор на фиг. 4 содержит вход 408 для подачи тока нагрева и нагревательный элемент 409, соединенный с входом 408 для подачи тока нагрева через третий отрезок 410 сверхпроводника. Нагревательный элемент 409 может быть изготовлен из материала с омической проводимостью с тем, чтобы проходящий через него ток нагрева привел к преобразованию входящей электрической энергии в тепловую энергию (путем омических потерь).
Поглощающий элемент (длинная секция 404), элемент с изменяемым импедансом (короткая секция 406) и нагревательный элемент 409 соединяются друг с другом через сверхпроводящие секции, которые короче любого из отрезков сверхпроводника (первого отрезка 405, второго отрезка 407 или третьего отрезка 410). На схеме на фиг. 4 сверхпроводящая полоска 411 соединяет вместе свободные концы этих трех секций - то есть конец длинной секции 404, который не соединен с входом 401 сигнала, конец короткой секции 406, который не соединен с выходом 402 детектора, и конец нагревательного элемента 409, который не соединен с входом 408 для подачи тока нагрева. Минимальные расстояния вдоль сверхпроводящего материала от одного элемента из длинной секции 404, короткой секции 406 или нагревательного элемента 409 до другого из них предпочтительны и должны быть настолько малыми, насколько возможно при используемой технологии изготовления.
В варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на фиг. 4, сверхпроводящая полоска 411 также используется для емкостной связи с землей. Поскольку сверхпроводящая полоска 411 соединена и с длинной секцией 404, и с короткой секцией 406, соединение с землей замыкает цепь для обеих секций, что обеспечивает эффективное поглощение входного сигнала в поглощающем элементе и также обеспечивает эффективное использование элемента с изменяемым импедансом как части резонансного контура, резонансная частота которого измеряется. На самом деле, замыкание этих цепей также может быть выполнено другими способами, но использование сверхпроводящей полоски 411 является конструктивно простым способом, относительно простым для реализации.
Было обнаружено, что закон Видеманна-Франца не соблюдается для сверхпроводников: материал, являющий с электрической точки зрения сверхпроводящим, с термической точки зрения может быть сравнительно хорошим изолятором, блокируя, в частности, передачу тепла посредством диффузии электронов и переноса тепла квазичастицами. Таким образом, когда длинная секция 404, короткая секция 406 и нагревательный элемент 409 соединяются друг с другом только через относительно короткие сверхпроводящие секции, а с другими частями схемы через сверхпроводящие секции, они могут обмениваться друг с другом тепловой энергией (в форме диффузии горячих электронов через короткие сверхпроводящие секции) намного легче, чем с другими элементами за пределами области детектора. Описание того, как теплопроводность сверхпроводящей секции сверхпроводника зависит от его длины, приводится в следующей работе: J.T. Peltonen, P. Virtanen, M. Meschke, J.V. Koski, T.T. Heikkila, and J.P. Pekola: Thermal Conductance by the Inverse Proximity Effect in a Superconductor (Теплопроводность из-за обратного эффекта близости в сверхпроводнике), журнал Physical Review Letters 105, 097004 (2010).
Для поддержания минимального уровня обмена тепловой энергией между областью детектора и окружающей средой также могут быть оптимизированы другие элементы структуры: длинная секция 404, короткая секция 406 и нагревательный элемент 409; кроме того, сверхпроводящие секции могут быть сформированы на поверхности, например, кремниевой подложки; весь детектор может быть помещен в вакуум; и вокруг детектора могут быть установлены многослойные теплозащитные экраны. Тепловая защита и тепловая ванна, используемая для охлаждения детектора для работы, схематично показаны на фиг. 4 как 412. Тепловая защита и охлаждение могут быть реализованы с помощью известных решений, и поэтому их подробное описание в данном документе не требуется.
Для того чтобы температура длинной секции 404, короткой секции 406 и нагревательного элемента 409 была одной и той же, длина соединяющего их сверхпроводника должна быть достаточно небольшой, чтобы его теплопроводность была намного больше теплопроводности электрон-фононного взаимодействия в нормальных металлических элементах. Кроме того, как было сказано выше, теплопроводность сверхпроводящей секции 405, 407 и 410 должна быть намного меньше теплопроводности электрон-фононного взаимодействия. При соблюдении этих двух условий тепловая постоянная времени, которая описывает шкалу времени, в которой перепад температур выравнивается между нормальными металлическими элементами, меньше тепловой постоянной времени всей структуры детектора, то есть постоянной времени, которая описывает, насколько быстро тепловая энергия уходит из детектора в окружающую тепловую ванну.
Ток нагрева, проходящий через вход 408 для подачи тока нагрева на нагревательный элемент 409, повышает температуру нагревательного элемента 409. Объясненный выше механизм, то есть обмен тепловой энергией в форме диффузии горячих электронов, также вызывает соответствующее увеличение температуры длинной секции 404 (или в общем случае: поглощающего элемента) и короткой секции 406 (или в общем случае: элемента с изменяемым импедансом). Достаточно просто формировать низкочастотные электрические токи с точно известным значением. Таким образом, значение мощности, которая будет перенесена в область детектора током нагрева, также будет точно известно. Детектор можно откалибровать, наблюдая ответную реакцию схемы измерения на известное значение вводимого тока нагрева.
На фиг. 5 схематично показан вариант детектора 500, который содержит сверхвысокочастотные фильтры 501 и 502 на первом отрезке 405 и третьем отрезке 410 сверхпроводника, соответственно. Эти сверхвысокочастотные фильтры предназначены для блокировки фотонной передачи паразитной тепловой энергии по сверхпроводящим соединениям, что помогает поддерживать минимально возможную теплопроводность между соответствующим элементом детектора и окружающей структурой.
Сверхвысокочастотные фильтры 501 и 502 также могут использоваться для подавления помех нежелательных частот из детектора. Фильтр 501 на первом отрезке 405 сверхпроводника показан как полосовой сверхвысокочастотный фильтр, полоса пропускания которого выбирается для пропуска входного сигнала только требуемой частоты. Фильтр 502 на третьем отрезке 410 сверхпроводника показан как сверхвысокочастотный фильтр нижних частот, это определяется тем, что для нагрева используется постоянный ток или переменный ток низкой частоты. Фильтр 502 также может быть полосовым сверхвысокочастотным фильтром с полосой пропускания, выбранной ниже полосы пропускания фильтра 501.
Полосовой сверхвысокочастотный фильтр 501 может быть выполнен с возможностью регулировки средней частоты и/или ширины полосы пропускания. Такая возможность регулировки может быть полезной, например, в том случае, если из входящего сверхвысокочастотного излучения должна быть получена определенная спектральная информация: путем регулировки полосового сверхвысокочастотного фильтра 501 измерение может выполняться только в определенных частях спектра входящего сверхвысокочастотного излучения. Возможность регулировки полосового сверхвысокочастотного фильтра 501 также может использоваться даже в том случае, если входящее сверхвысокочастотное излучение содержит только одну представляющую интерес частоту (или одну полосу частот). В этом случае полоса пропускания полосового сверхвысокочастотного фильтра 501 может быть, например, передвинута в ту или в другую сторону в более широкой полосе частот, которая содержит представляющую интерес частоту, чтобы результаты контрольных измерений были получены на других частотах.
На фиг. 6 схематично показан вариант детектора 600 с конкретной реализацией входов относительно нагревательного элемента. Один вход для подачи тока нагрева, который можно назвать "первым входом для подачи тока нагрева" и который соединен с первым концом нагревательного элемента 409, содержит первый вывод 601 для подачи тока нагрева и первое соединение 602 для измерения напряжения. Другой вход для подачи тока нагрева, называемый в данном описании "вторым входом для подачи тока нагрева", содержит второй вывод 603 для подачи тока нагрева и второе соединение 604 для измерения напряжения. Они соединяются со вторым концом нагревательного элемента 409.
Преимущество использования такой структуры заключается в том, что разветвление сверхпроводящей полоски к первому выводу 601 для подачи тока нагрева и к первому соединению 602 для измерения напряжения выполняется на одной и той же кремниевой подложке, на которой также размещается детектор. Разветвление другой сверхпроводящей полоски ко второму выводу 603 для подачи тока нагрева и ко второму соединению 604 для измерения напряжения также выполняется на той же кремниевой подложке, на которой также размещается детектор. В каждой из ветвей в варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на фиг. 6, используются сверхвысокочастотные фильтры нижних частот 605, 606, 607 и 608. Также может использоваться структура, в которой соединения от внешних (по отношению к подложке) устройств к разветвляющимся сверхпроводящим полоскам выполняются с помощью обычных несверхпроводящих проводов.
В качестве сверхвысокочастотных фильтров, показанных на чертежах, могут использоваться внешние (по отношению к подложке) дискретные компоненты. Однако они должны находиться в этой же тепловой ванне для достижения требуемой блокировки фотонной передачи тепла. На подложке, на которой находится сам детектор, также можно сформировать сверхвысокочастотные фильтры.
Источник тока нагрева подключается к первому выводу 601 и ко второму выводу 603 для подачи тока нагрева. В примере осуществления настоящего изобретения на фиг. 6 источник тока нагрева содержит последовательно включенные источник 606 напряжения (изменяемого напряжения постоянного тока), балластный резистор 607 и переключатель 608, подключенные между первым выводом 601 и вторым выводом 603 для подачи тока нагрева. Вольтметр 609 подключается через первое соединение 602 и второе соединение 604 для измерения напряжения.
Источник 606 изменяемого напряжения постоянного тока может выдавать точно калиброванное напряжение порядка нескольких вольт, например три вольта и т.п. Балластным резистором 607 может быть точно калиброванный резистор с очень высоким сопротивлением, порядка одного гигаома и т.п. Источник точно калиброванного напряжения и точно калиброванный балластный резистор формируют проходящий через нагревательный элемент 409 ток нагрева, который точно известен, несмотря на то, что имеет очень малое значение (порядка трех наноампер). Находящиеся при комнатной температуре части соединений, которые соединяют источник тока нагрева с первым выводом 601 и вторым выводом 603 для подачи тока нагрева, формируют определенное дополнительное сопротивление, но оно может быть измерено и скомпенсировано. Входной импеданс вольтметра 609 должен быть намного больше импеданса нагревательного элемента 409. Если ток нагрева известен, и вольтметр 609 измерил падение напряжения на нагревательном элементе 409, то можно вычислить значение мощности, используемой для нагрева нагревательного элемента 409.
Источник тока нагрева, аналогичный показанному на фиг. 6, с источником 606 изменяемого напряжения постоянного тока и переключателем 608, может использоваться для калибровки детектора попеременно с фактическим обнаружением сверхвысокочастотного излучения. Известная мощность нагрева поступает на нагревательный элемент 409, при этом измеряются соответствующие изменения импеданса элемента с изменяемым импедансом - например, изменение резонансной частоты резонансного контура, в состав которого входит элемент с изменяемым импедансом. Во время фактического обнаружения сверхвысокочастотного излучения переключатель 608 разомкнут, чтобы во время фактического измерения не протекал ток нагрева. Преимущество такой калибровки заключается в том, что никакая дополнительная тепловая мощность не вводится в детектор во время фактических измерений, поэтому все такие измерения рабочих характеристик, пользующиеся в максимально возможной степени преимуществами низких температур, могут достичь своих оптимальных значений.
Другая возможность заключается в сохранении замкнутого состояния переключателя 608 также во время фактического обнаружения сверхвысокочастотного излучения и в использовании схемы обратной связи, сконфигурированной для поддержания постоянного значения измеренного импеданса элемента с изменяемым импедансом. Таким образом, чем сильнее обнаруженное фактическое сверхвысокочастотное излучение, тем меньший ток нагрева вводится в детектор, и наоборот. Такой способ измерения может иметь существенно больший динамический диапазон, чем способ измерения с попеременной калибровкой; однако непрерывный ввод тока нагрева означает, что детектор будет работать в немного более горячем состоянии по сравнению со способом с попеременной калибровкой. Таким образом, более широкий динамический диапазон может быть достигнут ценой увеличения помех, увеличивающихся пропорционально температуре.
Еще одной особенностью, которая схематично показана на фиг. 6, является альтернативная геометрическая конфигурация длинной секции 404, короткой секции 406 и нагревательного элемента 409. На фиг. 4 и 5 длинная секция 404 и короткая секция 406 имеют общую продольную ось, а нагревательный элемент 409 установлен параллельно им с определенным смещением перпендикулярно оси. В такой схеме длинная секция и короткая секция фактически могут быть сформированы как части одной проводящей полоски с омической проводимостью, со сверхпроводящей полоской, пересекающей эту полоску с омической проводимостью и разделяющей ее на две секции. В детекторе же на фиг. 6 длинная секция 404, короткая секция 406 и нагревательный элемент 409 формируют конфигурацию, симметричную относительно продольной оси короткой секции 406. Длинная секция 404 смещена в одну сторону от этой продольной оси короткой секции 406, а нагревательный элемент 409 на столько же смещен в другую сторону.
Ненамного более сложная в производстве симметричная конфигурация, показанная на фиг. 6, имеет преимущество, состоящее в том, что локальные условия для диффузии горячих электронов между длинной секцией 404 и короткой секцией 406 совершенно идентичны условиям для диффузии горячих электронов между нагревательным элементом 409 и короткой секцией 406. Благодаря этому известное значение калибровочной мощности, подаваемой в детектор при вводе тока нагрева в нагревательный элемент 409, приводит к идентичной реакции на такое же значение мощности сигнала, подаваемой в длинную секцию 404.
На фиг. 7 показано детекторное устройство в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Это устройство содержит по меньшей мере один детектор 700, который может быть детектором любого описанного выше вида; предпочтительнее, чтобы он был сформирован как криоэлектронная схема, в которой поглощающий элемент, элемент с изменяемым импедансом, нагревательный элемент и сверхпроводящая полоска были сформированы на одной или нескольких поверхностях подложки, например из кристаллического кремния. Схема 701 подачи входного сигнала сконфигурирована для подачи подлежащего измерению сигнала на сигнальный вход детектора 700.
Детекторное устройство, показанное на фиг. 7, содержит схему 702 измерения, которая сконфигурирована для измерения воздействия (воздействий), обусловленного изменениями импеданса элемента с изменяемым импедансом в детекторе 700. Например, схема 702 измерения может быть схемой резонансного измерения, сконфигурированной для измерения резонансной частоты резонансного контура, соединенного с выходом детектора 700.
Детекторное устройство, показанное на фиг. 7, содержит контроллер 703 тока нагрева, сконфигурированный для формирования тока нагрева с известным значением, подаваемого через вход для подачи тока нагрева детектора 700. Управление схемой 702 измерения и контроллером тока нагрева выполняется контроллером 704, который может содержать программируемый компьютер с необходимыми входными и выходными соединениями.
На фиг. 7 предполагается, что детектор 700 содержит полосовой сверхвысокочастотный фильтр на первом отрезке сверхпроводника между входом сигнала и поглощающим элементом детектора 700. Также предполагается, что для этого полосового сверхвысокочастотного фильтра реализовано регулирование по меньшей мере одного из средней частоты и ширины его полосы пропускания. Детекторное устройство содержит контроллер 705 полосового фильтра, который соединен с управляющим входом полосового сверхвысокочастотного фильтра в детекторе 700, и работает под управлением контроллера 704.
Контроллер 703 тока нагрева может содержать компоненты, подобные показанным в нижней части фиг. 6. Другими словами, контроллер 703 тока нагрева может содержать последовательно соединенные источник напряжения и балластный резистор, подключенные к первому и второму выводам для подачи тока нагрева в детекторе 700. Контроллер 703 тока нагрева также может содержать вольтметр, подключаемый через первое и второе соединения для измерения напряжения в детекторе 700. Вольтметр также может содержаться в некоторых других частях детекторного устройства, например в схеме 702 измерения, при условии надлежащего измерения им падения напряжения на резистивном нагревательном элементе в детекторе 700.
Контроллер 704 может быть запрограммирован для управления калибровкой и фактической работой детектора 700. В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения детекторное устройство сконфигурировано для калибровки детектора путем подачи тока калибровки посредством упомянутого последовательного соединения (или любого другого типа управляемого источника тока нагрева) через упомянутый нагревательный элемент и путем измерения схемой 702 измерения соответствующего изменения, например изменения резонансной частоты резонансного контура, частью которого является элемент с изменяемым импедансом детектора 700. Детекторное устройство также может быть сконфигурировано для измерения соответствующих изменений, например изменений резонансной частоты резонансного контура, во время обнаружения сверхвысокочастотного излучения и для формирования сигнала измерения, указывающего такие изменения.
Альтернативно или дополнительно к этому, детекторное устройство также может быть сконфигурировано для подачи посредством упомянутого последовательного соединения (или любого другого типа управляемого источника тока нагрева) тока компенсации через нагревательный элемент в детекторе 700 в зависимости от обратной связи. Целью является сохранение постоянного значения резонансной частоты резонансного контура во время обнаружения сверхвысокочастотного излучения. В этом случае детекторное устройство сконфигурировано для создания сигнала измерения, указывающего значение упомянутого тока компенсации, поскольку значение тока компенсации пропорционально (обратно пропорционально) значению обнаруженной мощности входящего сигнала.
Для специалистов в этой области техники очевидно, что в условиях развития технологии основная идея настоящего изобретения может быть реализована различными способами. Таким образом, изобретение и варианты его осуществления не ограничены приведенными выше примерами и могут изменяться в пределах объема формулы изобретения. Например, даже в том случае, если в описанных вариантах осуществления имеются продольные оси поглощающего элемента, элемента с изменяемым импедансом и нагревательного элемента, и все элементы параллельны друг другу; это не является обязательным требованием. Продольные оси по меньшей мере двух элементов могут находиться под углом друг другу. Например, в симметричном варианте осуществления, который, в противном случае, отражает принцип, проиллюстрированный на фиг. 6, длинная секция и нагревательный элемент могут сформировать V-образную конфигурацию, в которой их удаленные (слева) концы будут дальше друг от друга, чем их ближайшие (справа) концы.
1. Детектор сверхвысокочастотного излучения, содержащий:
вход (401) сигнала и выход (402) детектора,
поглощающий элемент (404) с омической проводимостью, соединенный с упомянутым входом (401) сигнала через первый отрезок (405) сверхпроводника, и
элемент (406) с изменяемым импедансом, зависящим от температуры, соединенный с упомянутым выходом (402) детектора через второй отрезок (407) сверхпроводника,
отличающийся тем, что
детектор содержит вход (408) для подачи тока нагрева,
детектор содержит нагревательный элемент (409), соединенный с упомянутым входом (408) для подачи тока нагрева через третий отрезок (410) сверхпроводника, и
упомянутый поглощающий элемент (404), упомянутый элемент (406) с изменяемым импедансом и упомянутый нагревательный элемент (409) соединены друг с другом через сверхпроводящие секции, которые короче любого из упомянутых первого отрезка (405) сверхпроводника, второго отрезка (407) сверхпроводника и третьего отрезка (410) сверхпроводника, для обеспечения диффузии горячих электронов между упомянутым поглощающим элементом (404), упомянутым элементом (406) с изменяемым импедансом и упомянутым нагревательным элементом (409), и в то же время для блокировки переноса тепла квазичастицами через упомянутые первый отрезок (405) сверхпроводника, второй отрезок (407) сверхпроводника и третий отрезок (410) сверхпроводника.
2. Детектор по п. 1, содержащий сверхвысокочастотные фильтры (501, 502) по меньшей мере на одном из упомянутых первого отрезка (405) и третьего отрезка (410) сверхпроводника.
3. Детектор по п. 2, содержащий сверхвысокочастотный фильтр нижних частот или полосовой сверхвысокочастотный фильтр (502) на упомянутом третьем отрезке (410) сверхпроводника.
4. Детектор по п. 2 или 3, содержащий полосовой сверхвысокочастотный фильтр (501) на упомянутом первом отрезке (405) сверхпроводника.
5. Детектор по п. 4, в котором упомянутый полосовой сверхвысокочастотный фильтр (501) выполнен с возможностью регулирования по меньшей мере одного из средней частоты и ширины его полосы пропускания.
6. Детектор по любому из предшествующих пунктов, в котором:
упомянутый вход для подачи тока нагрева является первым входом для подачи тока нагрева, который соединен с первым концом упомянутого нагревательного элемента (409) и содержит первый вывод (601) для подачи тока нагрева и первое соединение (602) для измерения напряжения, и
упомянутый детектор содержит второй вход для подачи тока нагрева, который соединен со вторым концом упомянутого нагревательного элемента (409) и содержит второй вывод (603) для подачи тока нагрева и второе соединение (604) для измерения напряжения.
7. Детектор по любому из предшествующих пунктов, в котором:
упомянутый поглощающий элемент (404) и упомянутый элемент (406) с изменяемым импедансом имеют общую продольную ось, и
упомянутый нагревательный элемент (409) установлен параллельно по меньшей мере одному из упомянутого поглощающего элемента (404) и упомянутого элемента (406) с изменяемым импедансом с перпендикулярным смещением относительно него.
8. Детектор по любому из пп. 1-6, в котором:
упомянутый элемент (406) с изменяемым импедансом имеет продольную ось, и
упомянутый поглощающий элемент (404) и упомянутый нагревательный элемент (409) формируют конфигурацию, симметричную относительно продольной оси упомянутого элемента (406) с изменяемым импедансом.
9. Детекторное устройство для обнаружения сверхвысокочастотного излучения, содержащее:
по меньшей мере один детектор (700) по любому из пп. 1-8, и
схему (702) резонансного измерения, сконфигурированную для измерения резонансной частоты резонансного контура, соединенного с выходом (402) детектора.
10. Детекторное устройство по п. 9, содержащее:
контроллер (703) тока нагрева, сконфигурированный для формирования тока нагрева с известной величиной, подаваемого через вход (408) для подачи тока нагрева.
11. Детекторное устройство по п. 10, в котором:
упомянутый вход для подачи тока нагрева является первым входом для подачи тока нагрева, который соединен с первым концом упомянутого нагревательного элемента (409) в упомянутом детекторе (700) и содержит первый вывод (601) для подачи тока нагрева и первое соединение (602) для измерения напряжения, и
упомянутый детектор (700) содержит второй вход для подачи тока нагрева, который соединен со вторым концом упомянутого нагревательного элемента (409) в упомянутом детекторе и содержит второй вывод (603) для подачи тока нагрева и второе соединение (604) для измерения напряжения,
упомянутый контроллер (703) тока нагрева содержит последовательное соединение источника (606) напряжения и балластного резистора (607), включенное между первым выводом (601) для подачи тока нагрева и вторым выводом (603) для подачи тока нагрева, и
упомянутое детекторное устройство содержит вольтметр (609), включенный между первым соединением (602) для измерения напряжения и вторым соединением (604) для измерения напряжения.
12. Детекторное устройство по п. 11, которое выполнено с возможностью:
калибровки детектора (700) путем подачи тока калибровки из упомянутого последовательного соединения через упомянутый нагревательный элемент (409) и путем измерения соответствующего изменения резонансной частоты резонансного контура, и
измерения изменений резонансной частоты резонансного контура во время обнаружения сверхвысокочастотного излучения и формирования сигнала измерения, указывающего такие изменения.
13. Детекторное устройство по п. 11, которое выполнено с возможностью:
подачи тока компенсации из упомянутого последовательного соединения через нагревательный элемент (409) в зависимости от обратной связи для поддержания постоянного значения резонансной частоты резонансного контура во время обнаружения сверхвысокочастотного излучения, и
создания сигнала измерения, указывающего величину упомянутого тока компенсации.
