Файл: Слабкий Л.И. Методы и приборы предельных измерений в экспериментальной физике.pdf

входной емкости с, однако при этом будет возрастать и постоянная времени усилителя, т. е. в конечном счете то время, которое необ­ ходимо затратить на проведение измерения.

Проведем оценку минимального значения тока / т1о, который может быть зарегистрирован электрометрическим усилителем с па­

Для сравнения укажем, что величина тока, который возникает в проводнике при прохождении одного электрона в 1 с, равна 1,6- , 10-іэ т е / тШ соответствует току в 200 электронов в секунду через сопротивление Rg. При этом постоянная времени электромет­ рического усилителя т 0 = Rgc = 100 с.

В заключение приведем формулу для среднеквадратического значения напряжения лампового каскада с резонансным контуром, которые часто применяются в схемах с преобразованием постоянно­ го тока в переменный и последующим усилением этого тока:

С первого взгляда может показаться, что, применяя низкочастот­ ные резонаторы с большим значением добротности Q, можно зна­ чительно понизить уровень шумов каскада. Однако это не совсем так. В действительности, повышая значение Q //0, мы тем самым сужаем полосу пропускания усилителя, т. е. увеличиваем время, необходимое для проведения измерений.

Поскольку постоянная времени такого каскада теперь опреде­ лится как

77

то, вводя эквивалентную емкость сэ= x 0IRg, получим

т. е. это величина того же порядка, что и для нерезонансного элект­ рометрического усилителя.

§6. Флуктуационные явления

всверхпроводящих устройствах. Гистерезисные явления и Фуко-потери

вжестких сверхпроводниках

Впоследнее время в некоторых лабораторных исследованиях начинают применяться различного рода сверхпроводящие устрой­ ства — приборы для измерения тока, напряжения, а также сверх­ проводящие болометры, усилители с криотронными вентилями и др.

Целесообразность их использования очевидна, если речь идет об измерениях предельно слабых сигналов, поскольку тепловые шумы в них либо вовсе отсутствуют (R |ш=0 = 0), либо ничтожно малы, если такие приборы работают в области «промежуточного» состояния.

Представляет интерес, таким образом, рассмотрение основных типов шумов в сверхпроводящих устройствах, имея в виду их ра­ боту именно в «промежуточном» состоянии. При этом мы не будем касаться ряда случаев, когда возможно существование нетепловых (избыточных) шумов, например, типа шума Баркгаузена в тран­ сформаторах с железными сердечниками, либо фотонного шума равновесного излучения, а остановимся лишь на собственных шумах сверхпроводящих приборов.

Рассмотрим шумы сверхпроводящих болометров.

Одной из возможных конструкций сверхпроводящего болометра является устройство, состоящее из тонкой нитридо-ниобиевой лен­ ты в жидком водороде, температура которой поддерживается по­ стоянной в области перехода в сверхпроводящее состояние (Т-пе- рехода ~14,3° К).

Ввиду весьма узкой области перехода (всего около 0,02° К) и большого значения температурного коэффициента сопротивления в данной области (A-R/AT ~ 10 Оміград при R ~ 10 -1 Ом для по­ лосы размером 5x0,25x0,006 мм) чувствительность такого при­ бора оказывается весьма высокой.

Экспериментально было установлено, что фактические шумовые характеристики такого измерителя в несколько раз хуже, чем вы­ числения на основе известных механизмов шумовых эффектов. По­ этому можно допустить существование ряда специфических причин, ответственных за появление избыточного шума. Одной из таких причин, является флуктуация сопротивления между нормальными и сверхпроводящими контактами, либо спонтанные нарушения

78

всегда имеет место за счет неточности поддержания температуры сверхпроводящего болометра на постоянном уровне. Обозначим через ДГ величину аппаратурной погрешности температуры бо­

WN = 3 • 10~пВт]гц,

т. е. величину, соизмеримую с флуктуационной шумовой мощ­ ностью.

Рассмотрим теперь гистерезисные потери и Фуко-потери в жестких сверхпроводниках.

Как известно, жесткими называются такие сверхпроводящие материалы, для которых (в отличие от мягких сверхпроводников) не наблюдается полный эффект Мейснера, имеет место частичное «вмораживание» магнитного потока в некоторых областях массив­ ного сверхпроводника, а также существуют потери на вихревые токи (токи Фуко) ввиду наличия несверхпроводящих «вкраплений». Размеры таких вкраплений зависят как от типа сверхпроводящего материала, его обработки, температуры, так и от величины внеш­ него магнитного поля, приложенного к сверхпроводнику. Следует

79