Файл: Слабкий Л.И. Методы и приборы предельных измерений в экспериментальной физике.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 127
Скачиваний: 0
§4. Работа ФЭУ
врежиме корреляционного счетчика фотонов
Как известно, длительность импульса иа выходе ФЭУ в случае «одноэлектронного» режима определяется степенью «размытости» сгустка вторичных (дннодных) электронов, попадающих на анод, и зависит, таким образом, от конструктивных особенностей динодной системы ФЭУ. Поэтому, если на фотокатод ФЭУ падает пуас соновский поток фотонов, которые не коррелнрованы и действуют на фотокатод независимо друг от друга, то в результате на выходе ФЭУ будет зарегистрирована серия последовательных импульсов, имеющих одну и ту же ширину (длительность). В случае же нали чия корреляции в фотонном потоке с временем корреляции тт1п, большим, чем ширина импульса, длительность выходных импуль сов ФЭУ будет больше, причем степень уширения будет характери зоваться автокорреляционной функцией для данного потока фотонов.
Рис. |
114. Электрическая схема- |
* |
включения ФЭУ в режиме счет |
|
|
чика |
фотонов |
|
Рис. 115. Блок-схема счетчика фотонов
221
Используя это явление, молено исследовать автокорреляцион ные характеристики потока при помощи высокочувствительного ФЭУ, работающего в режиме счетчика фотонов (рис. 114, 115). В работе [47 ] для этой цели была использована следующая методика.
Импульсы с ФЭУ-30 поступали на спиральную линию задерж ки с обеих сторон, так что в ней возникала «стоячая волна» с макси мальной амплитудой в середине линии ЛЗ (рис. 114). Сканирующее устройство (двигатель) обеспечивало периодическое перемещение движка — контакта для съема информации (сигнала) с этой линии, давая тем самым контур импульса, усредненный по большому числу отдельных импульсов, поступающих на линию с ФЭУ. При дли тельности импульса т = 1 -4-2 нс скорость сканирования (и последую щей записи на самописце) составляла примерно 1 нс/мин.
В качестве усилителя импульсов в схеме использовался усили тель типа УШ-2 с пересчетным устройством типа ПС-10000. Дискри минатор, собранный на туннельном диоде 3 И 301 В, имел минималь ный порог дискриминации в 0,1 В (рабочий режим при измерениях — 1 В) при длительности дискриминации 40 нс.
Ширина импульса от пуассоновского потока фотонов при ско
рости счета на полувысоте контура N — 300 имя!с (при комнатной температуре) составляла 1,24 нс, а ее изменение (или сдвиг) на 0,11 нс вызывал изменение средней скорости счета на ПО имп/с, что давало возможность различать сдвиг точек контура на 0,06 нс.
При сравнении ширины контура для отермошумов и подсветки от ртутной лампы ДРШ-250 (X = 5460,9 А) было обнаружено уширение контура для фотонмпульсов на 0,16 нс (на уровне V4 высоты), что указывает на временную корреляцию (когерентность) потока
Экран
Рис. 116. Схема делителя для питания ФЭУ-30
для данной спектральной линии. Наличие такой когерентности
можно объяснить, исходя из следующих соображений. |
= 0,07 А |
В силу допплеровского уширения линии (ширина |
для данной линии ртути) имеет место временная корреляция фото нов с эффективным временем корреляции тгаШ, равным12
12 В пределах этого интервала времени невозможно различить двух отдельных фотонов.
222
1
T ' m l n д . , |
|
AVmax |
|
Поэтому автокорреляционная функция такой спектральной |
|
линии заметно отличается от нуля для |
1,2 нс, что дает возмож |
ность зарегистрировать эффект корреляции фотонов с помощью данной аппаратуры.
Использованный в этой установке фотоумножитель ФЭУ-30 имеет систему эмиттеров (динодов) тороидального типа, содержащую 14 умножительных каскадов. По данным работы [48 ] ниже приведены некоторые параметры ФЭУ-30, а на рис. 116—схема делителей на
пряжения |
питания |
его |
электродов: |
|
|
|
|
|
с /ф э у . |
к В |
ДХ. А К у с |
ФЭУ |
S , мкА/лм |
т ,ІМП, нс |
Дтп р , нс |
т и р . нс |
/ т . мкА |
3—3,5 |
3500—6000 |
10я |
65 |
2,5 |
0,5 |
40 |
ІО“ 2—0,7 |
Описанные выше схемы для регистрации очень слабых световых потоков могут найти широкое применение в самых различных об ластях физического эксперимента, например, в экспериментах по проверке основных положений квантовой теории, в экспериментах по обнаружению нелинейных эффектов типа рассеяния фотона фо тоном и т. д.
Г л а в а 3
КРИОГЕННЫЕ ПРИБОРЫ И АППАРАТЫ
Применение низкотемпературной измерительной техники в пре дельных измерениях имеет целый ряд очевидных преимуществ по сравнению с использованием любых других типов приборов. В первую очередь, это — более низкий уровень тепловых (найквистовских) шумов, мощность которых пропорциональна температуре: W = kTAf. Этим, однако, не исчерпываются возможности низко температурных устройств. Так, используя явление сверхпроводи мости (и сопровождающий его диамагнетизм сверхпроводников), можно создать электромагнитные экраны с весьма высоким коэф фициентом экранирования, вплоть до достижения абсолютного экранирования при использовании эффекта квантования магнит ного потока. Кроме того, применение сверхпроводников позволяет по существу изготовить целый ряд новых типов измерительных приборов с очень высокой чувствительностью как по току, так и по напряжению (вплоть до ІО-17 В), а использование такого свойства жидкого гелия II (Т = 3,18° К), как сверхтеплопроводность, дает возможность осуществить весьма эффективную температурную ста-
223
билпзацию. Все эти далеко не полностью перечисленные преиму щества криогенных приборов делают их применение очень перспек тивным даже несмотря на некоторое усложнение аппаратуры и ус тановок, связанное с необходимостью иметь дыоары и другое до полнительное оборудование.
Вэтой главе будут рассмотрены некоторые методы измерений
иприборы, работающие при криогенных (гелиевых) температурах с использованием эффекта сверхпроводимости и ее квантовых свойств. Описываемые здесь приборы, как правило, служат для измерения малых токов и напряжений в низкоомных цепях.
§ 1. Сверхпроводящий гальванометр постоянного тока
Как уже отмечалось нами выше (см. разд. 2, § 5), предельная чувствительность гальванометра зависит от температуры Т его де талей (в частности, рамки и нити системы подвеса) и определяется формулой
где |
Ах — смещение |
подвижной системы при ее флуктуационных |
||
крутильных колебаниях; |
k — постоянная |
Больцмана, %— жест |
||
кость системы подвеса с |
учетом действия |
всех восстанавливаю |
||
щих |
сил. |
|
|
|
С другой стороны, отклонение подвижной части системы подвеса |
||||
Ах пропорционально |
внешней силе F = рудЯ и обратно пропор |
|||
ционально жесткости |
к (здесь руд — удельный (на единицу длины) |
магнитный момент системы подвеса, Я — напряженность магнит ного поля, создаваемого измеряемым током /).
В предельном случае получим
Я т 1п ~ (К у д ) 1 ( к к Т ) ^ .
(5.40)
(5.41)
Понижение рабочей температуры Т от 300 до 4,2° К уменьшает предельно обнаружимый ток / т1п примерно в 8,5 раза. Дальней шее увеличение чувствительности гальванометра может быть достиг нуто уменьшением суммарной жесткости к, которая определяется жесткостью нити подвеса и силой взаимодействия магнита подвеса с остаточным внешним полем Я 0 (в частности, с полем Земли).
Используя сверхпроводящие экраны, можно с помощью доволь но простой методики достичь уменьшения внешнего геомагнитного поля в объеме прибора примерно на 2 порядка, причем такой сверх проводящий экран будет одновременно служить защитой от внеш них наводок и медленно изменяющихся магнитных полей. Это дает возможность применять систему подвеса с постоянным магнитом, которая не требует наличия токоподводящих проводов к подвиж ной рамке, что способствует повышению аппаратурной (т. е. тех-
224
нически реализуемой) чувствительности прибора. Если теперь в качестве катушки, создающей поле Я ~ / изМ, взять несколько вит ков сверхпроводящей проволоки, то ее сопротивление постоянному току будет определяться главным образом подводящими проводами.
Ниже приводится описание одного из возможных типов таких гальванометров с подвижным магнитом [49], имеющего следующие параметры: Ѵш1п = К)-12 В при Яобмотк» = Ю~7 Ом, / шіп-
==ІО-5 А, Я0Ст сь: 0,01 гс.
Подвижная система подвеса с одним постоянным магнитом
(длина магнита 2 мм, материал — альнико, магнитный момент р, = 0,2 абс. электромагнитных ед.), укрепленным на кварцевой нити диаметром 5 мкм и длиной 12 см с помощью шеллака, подве шена в трубке, соединенной с массивной медной полостью-. Эта по лость служит для демпфирования колебаний магнита за счет инду цируемых в ней электрических токов.
Отклоняющие одновитковые кадушки (г ВНтка = 1,2 см) нахо дятся в пазах медного блока. Он-я'йзготовлены из омедненной свин
цовой проволоки, полученной заливкой расплавленного |
свинца |
|
в медную трубку м последующим волочением. |
50 см при Т = |
4,2° К |
Сопротивление такого проводника длиной |
не превышало 10~10 Ом, а критический ток был более 0,75 А. Соеди нение витков с подводящими проводами осуществлялось при помощи пайки сплавом Вуда. Для уменьшения внешнего поля Я„ служит система катушек Гельмгольца (55 витков медного провода), которая позволяет частично скомпенсировать поле Я 0 в объеме магнита до появления сверхпроводимости. Снаружи вся система закрыта свин цовым сверхпроводящим экраном толщиной 0,4 мм.
После заполнения прибора жидким гелием происходит вмора живание поля, примерно равного земному, в экран. Затем экран поворачивается с помощью шлифа таким образом, чтобы вморожен ное поле было примерно перпендикулярно оси отклоняющих кату шек. Пропуская небольшой ток через компенсирующие катушки, мож но добиться практически полной компенсации поля в области, где расположен магнит. Поскольку величина компенсирующего тока невелика, то его нетрудно поддерживать с нужной степенью ста бильности.
Чувствительность системы подвеса составляет для такого галь ванометра 6 - 1 0 Н-см/рад при периоде колебаний т 0 = 12 с, что соответствует чувствительности по току и напряжению, равной соответственно 15 см!мА и 1,5 ммі 10~12 В.
Минимальная мощность сигнала, обнаружимая таким гальвано
метром за время Д т~ т0, равна примерно 10-17 |
Вт, что намного пре |
|||
вышает предельно обнаружимую мощность |
при Т = |
4,2° К |
и |
|
Af = |
0,1 гц, которая равна ~ 10 -23 Вт, однако она на |
1—2 |
по |
|
рядка ниже, чем мощность, регистрируемая обычными |
зеркаль |
|||
ными |
гальванометрами. |
|
|
|
Применение такого прибора, очевидно, целесообразно только для очень низкоомных источников э.д.с.
8 Л. И. Слабкнй |
225 |
§ 2. Криогенный джозефсоновский потенциометр с чувствительностью І Ю “ 15 В
Для проведения измерений в цепях с очень низким сопротив лением (порядка ІО-5 —10 -8 Ом) в качестве высокочувствитель ного нуль-индикатора можно использовать туннельный переход Джозефсона, имеющий достаточно крутую вольт-амперную харак
теристику |
U — U (/) |
при |
І > І С, |
где |
Іс — критический |
ток для |
|
данного |
перехода, при |
котором |
на |
нем |
возникает |
напряже |
|
ние [50, |
51]. |
|
|
|
|
|
|
Измеряя напряжение на переходе, можно по вольт-амперной |
|||||||
характеристике найти ток через переход. |
|
|
|||||
Здесь, |
однако, нас |
будет интересовать |
другая зависимость, |
||||
а именно, зависимость напряжения |
U на переходе от тока / и через |
«индикаторную» цепь (ниобиевая проволока), магнитное поле ко торой влияет на величину U при воздействии этого поля на джозеф
соновский переход. Тогда, измерив U и |
определив тем самым /„ |
||
по U — / н характеристике, полученной |
заранее |
при достаточно |
|
больших изменениях /„ (рис. 117), можно найти |
падение |
напря |
|
жения U0 в измерительной цепи (мост), если известно сопротивле |
|||
ние этой цепи. |
измерений очень малых |
||
На рис. 118 [51] приведена схема для |
|||
сопротивлений Rs по известным значениям / s, RF, IF и |
причем |
/ н служит «индикатором нуля». Сначала путем регулировки «тока смещения» / через переход выбирается подходящая рабочая точка на вольт-амперной кривой, при которой изменение 6£//б/н макси мально, причем это проводится при / 8 = 0.
При разомкнутом сверхпроводящем ключе изменяют ток через ниобиевую проволоку до тех пор, пока ток обратной связи IF не станет равным нулю. Это значение тока /и и будет «нулевым», т. е. будет служить мерой баланса нуль-индикатора. Затем, замыкая сверхпроводящий ключ, включают одновременно ток Is через со противление Rs и увеличивают его до тех пор, пока / я не достигнет своего «балансного» значения, отвечающего нулевому току обрат ной связи Ір.
Измерив 1р и / 5, можно найти Rs = RF (IFIIS). При |
сопротив |
||||
лении измерительной цепи |
(Rs — ключ —• RF), равной |
ІО-8 |
Ом, |
||
и токовой чувствительности |
/ н в точке |
баланса, равной' ІО-7 |
А,. |
||
чувствительность |
джозефсоновского |
индикатора |
составляет |
1 • ІО-15 В при постоянной времени «вторичной» индикаторной цепи 1 с13. Применение обратной связи дает возможность получить столь малую постоянную времени потому, что в этом случае суммарная постоянная времени системы в | раз меньше ее собственной постоян ной времени (£ — коэффициент усиления в цепи обратной связи)*
13 Как известно, постоянная времени для цепи с R и L равна L!R и может й— ве
лика при |
0. |