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

Рис. 117. Зависимость напряжения на туннель­ ных контактах от величи­ ны «подмагничивающего»

Ток Ін,нА

Рис. 118. Блок-схема вы­ сокочувствительного криогенного потенцио­ метра

Туннельные джозефсоновские переходы, применяемые в этой схеме, могут быть сравнительно просто изготовлены следующим

способом [50].

Участок изолированной ниобиевой проволоки диаметром 0,05 мм зачищается с одной стороны на длине около 2 мм и затем быстро погружается в каплю расплавленного припоя ПОС-50, покрытую снаружи хлористым цинком.

Ток перехода I, нА

Рис. 119. Вольт-амперные характерис­ тики туннельного джозефсоновского перехода при 7'=4,22 и 2,22° К

В результате между каплей и проволокой возникает пара джозефсоновских туннельных переходов, сопротивление которых ле­ жит в пределах 0,05—0,2 Ом при комнатной температуре.

На рис. 119 приведены вольт-амперные характеристики тун­ нельного перехода при Т = 4,22 и 2,22° К. Хотя для различных переходов эти кривые несколько отличаются друг от друга, причем их вид может зависеть также и от предшествующего воздействия магнитного поля и температуры на образец, тем не менее в неизмен­ ных условиях работы, когда переход защищен от электрических переходных процессов и внешних полей и стабилизирован по тем­ пературе, то его U — I характеристики являются очень стабиль­ ными. Типичная токовая чувствительность переходов (по магнит­ ному действию тока / н) составляет обычно около 0,1 мВІмА при Т = 4,2° К и рабочей точке, выбранной на достаточно длинном крутом участке функции U = U (/).

Особо следует остановиться на изготовлении РЬ — Nb-контак- тов, поскольку ниобий практически чрезвычайно плохо поддается лужению (он окисляется даже при нагреве паяльником, и его по­ верхность приобретает синевато-фиолетовый цвет за счет возник­ новения окисла ниобия. Эта пленка обладает изоляционными свой­ ствами и является достаточно прочной).

Для изготовления контактов РЬ — Nb может быть использован следующий прием.

Свинцовый стержень вставляется в цилиндр из ниобия, затем этот узел погружается в СС14 и подвергается всестороннему (по по­ верхности цилиндра) обжатию до тех пор, пока диаметр ниобиевой трубки со свинцовым стержнем не уменьшается в 2 раза. При таком

228

ществляется с помощью точечной сварки. Таким же путем к ниобию можно приваривать некоторые другие металлы, например пла­ тину.

Предельная чувствительность джозефсоновского «нуль-индика­ тора» определяется главным образом термическими «шумами», которые обусловлены нестабильностью температуры отдельных узлов измерительной схемы. Так, выше A-точки жидкого гелия вследствие температурных градиентов происходит дрейф напря­ жения порядка ІО-13 В/мин. Эти шумы могут быть полностью исключены при использовании жидкого Не ниже A-точки, когда в силу очень большой его теплопроводности всякие температурные градиенты исчезают. При этом шумы имеют порядок ~(10_15-=- Ч-10~1е) В. Природа этих шумов может быть различной — это мо­ гут быть различные наведенные паразитные напряжения, помехи от переходных процессов, нестабильность поддержания темпера­

можно применить для изготовления различных приборов и датчи­ ков, использующих эффект Джозефсона. Так, например, могут быть сравнительно просто сделаны очень чувствительные магни­ тометрические датчики [53, 54], где в качестве туннельных пере­ ходов используются либо точечные контакты Nb — Nb, Pb — Nb [53], либо «вплавленные» контакты, которые дают очень стабильные характеристики и практически не изменяются в течение длительного времени в отличие, например, от структур металл — изолятор — металл (М — / — М) типа «слоеного пирога», которые требуют хранения при низких температурах ввиду неустойчивости слоя по отношению к термодиффузии.

Величина тока / н, а также и величина сопротивления R для джозефсоновского контакта должны лежать в определенных интер­ валах, поскольку наблюдение интерференционных эффектов в джозефсоновских барьерах возможно только при выполнении опреде­ ленных условий.

Так, если энергия связи

(5.42)

(А — эффективная энергетическая щель для сверхпроводников, R — сопротивление барьера, qe — заряд электрона) мала по срав­ нению с тепловым шумом источника тока (находящегося при ком­ натной температуре), равным —^10—30 R Дж, то этот токовый шум может привести к нарушению фазовых корреляций и подавлению интерференционной картины, что имеет место для R > (10 Ч- -Ч-20) Ом [53].

229

С другой стороны, энергия связи джозефсоновского барьера может быть записана в виде [53]

вие, однако, не вполне точно, поскольку при измерениях на об­ разцах с двумя джозефсоновскими барьерами (типа двухконтакт­

ного кольца) энергия связи может быть записана в виде Ѵ8 (CDQ/L), где Ф 0 есть квант магнитного потока. В частности, при L ~10-8 Г эта энергия соизмерима с kT уже при Т = 4,2° К, что и дает воз­

§ 3. Сверхпроводящие модуляторы и усилители

Используя такие свойства сверхпроводников, как идеальный диамагнетизм и возможность перехода из нормального состояния в сверхпроводящее и обратно при изменении магнитного поля или температуры в небольших пределах, можно сконструировать моду­ ляторы магнитного потока или электрического тока [55—57], на основе которых могут быть построены высокочувствительные уси­ лители постоянного тока с собственным шумом порядка 10-11 В или менее.

В этом усилителе используется магнитная модуляция сопротив­ ления танталовой проволоки, которая соединена последовательно с низкоомным источником исследуемого напряжения и первичной обмоткой миниатюрного низкочастотного трансформатора, который также находится в ванне с жидким гелием.

тирующий низкочастотный сигнал поступает на вход усилителя переменного тока. Такая схема позволяет исключить влияние пара­ зитных термо-э. д. с. в проводах, идущих к усилителю, и делает работу всей схемы весьма стабильной.

В качестве модулируемого звена входной цепи используется танталовая проволока диаметром 0,0008 см, критическое поле Нс кото­ рой при Т = 4,2° К равно 60 гс, а сопротивление в нормальном со­ стоянии составляет около 0,1 Ом. Проволока покрыта слоем лака

230

для предохранения от самозамыкания витков, а ее связь с осталь­ ной частью схемы осуществляется с помощью кусочков никелевой фольги, приваренных к концам проволоки точечной сваркой.

Первичная (свинцовая) и вторичная (медная) обмотки трансфор­ матора имеют соответственно 2 и 100 витков, а их импеданс равен 4-10~3 и 10 Ом при частоте / = 800 гц.

Эта катушка намотана эмалированным медным проводом на сталь­ ном каркасе и содержит 1000 витков. Снаружи катушка закрыта кожухом экрана. Танталовая проволока, проходящая через сердеч­ ник модулирующей катушки, пропущена сквозь тонкую стеклян­ ную трубку.

Сигнал снимается с вторичной обмотки трансформатора и через двойной экранированный провод поступает на низкочастотный уси­ литель, имеющий тщательно сбалансированный входной повышаю­ щий трансформатор с коэффициентом трансформации 100x1.

Затем усиленный сигнал подается на фазочувствительный де­ тектор, настроенный на пропускание сигнала с частотой 800 гц.

В качестве контрольного источника напряжения используется разность потенциалов, снимаемая с участка цепи постоянного тока (кусочек медной проволоки, имеющей сопротивление R = 5- ІО-8 Ом при Т = 4,2° К).'

Калибровка чувствительности усилителя проводится по сигна­ лу, снимаемому с этого сопротивления при пропускании через него

детектора» для измерений малых напряжений в криогенной изме­ рительной аппаратуре.

Другим примером сверхпроводящего модуляторного усилителя является схема, в которой модуляция сигнала осуществляется путем периодического разрушения сверхпроводимости тонкой оловянной пленки, напыленной на стекло 14 [57]. Использование болометри­ ческого модулятора позволяет существенно упростить конструкцию прибора, поскольку в этом случае исчезают наводки от модулирую­ щей катушки. Схема усилителя приведена на рис. 120.

11 При этом возникает необходимость поддерживать температуру пленки Sn вбли­ зи Т = Т Ѵ, которая для олова равна около 3,73°К- Для работы в гелие­ вой ванне (Т=4,2° К) можно использовать пленки из Та или из сплава Іп+РЬ,

231