Способ неразрушающего измерения СВЧ-параметров сверхпроводника и датчик для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01N22/00 

Изобретение относится к измерительной СВЧ-технике и может быть использовано для измерения электрических СВЧ-параметров, в том числе плотности критического тока, сверхпроводящих материалов в виде пленок, на локальных участках поверхности с размерами много меньшими длины волны СВЧ-излучения, используемого для измерения.

Цель изобретения - повышение чувствительности и обеспечение измерений плотности критически тока сверхпроводника в широком диапазоне частот.

На фиг. 1 приведена конструкция датчика, реализующего способ неразрушающего применения СВЧ-параметров сверхпроводника; на фиг. 2 - датчик с установленным сверхпроводником,разрез.

Предлагаемый способ основан на измерении изменений коэффициента отражения устройства в зависимости от уровня мощности падающего на исследуемый образец СВЧ-излучения частоты f 1 путем модуляции с частотой fa амплитуды этого сигнала и последующего выделения в отраженном сигнале с частотой h составляющей на частоте модуляции fa, что позволяет существенно повысить чувствительность измерений. В предлагаемом способе измерений модулятором сигнала на частоте fi является сама исследуемая среда, поэтому в модулированном сигнале на частоте f2 содержится информация о параметрах исследуемой среды.

Датчик для измерение СВЧ-параметров содержит от резок 1 измерительный линии с

сл

ел ю

размерами много меньшими длины волны СВЧ излучения, расположенный в окне металлизации 2 диэлектрической пластины 3, при этом один конец отрезка 1 измерительной линии подсоединен к металлизации 2 пластины 3, а другой - к трансформатору А СВЧ-моды полосковой линии 5, расположенной на другой стороне диэлектрической пла- стины 3 сонаправленно с отрезком 1 измерительной линии, трансформатор 4, вы- полненный в виде расширяющейся полоски металлической фольги, одной из своих сторон образует гальванический контакт 6 с полосковой линией 5, а углом 7, противолежащим этой стороне, подсоединен к отрезку 1 изме- рительной линии; на поверхности отрезка 1 измерительной линии и металлизацию 2 нанесена пленка 8 диэлектрика. При наложении на поверхность устройства (на пленку 8 диэлектрика) исследуемого сверхпроводящего образца 9 (фиг. 2) отрезок 1 измерительной линии пленка 8 диэлектрика и поверхность сверхпроводящего образца 9 образуют отрезок несимметричной полосковой линии 10. для которой земляным проводником яв- ляется сверхпроводящая поверхность образца 9. При этом участки 11 и 12 металлизации 2, расположенные вблизи обоих концов отрезка 1 измерительной линии совместно с диэлектрической пленкой 8 и по- верхностью образца 9, лежащей над участками 11 и 12 металлизации, образуют два плоских конденсатора большой емкости.

Отрезок 1 измерительной линии с продольными и поперечными размерами много меньшими длины волны СВЧ излучения, расположенный в окне металлизации 2, может быть выполнен либо в виде полоски металла, либо в виде проводника круглого сечения. При этом поперечные размеры окна выбираются много больше поперечных размеров отрезка 1 для предотвращения возбуждения СВЧ моды щелевой линии между краями окна и отрезка 1, а продольные размеры окна выбираются порядка длины отрез- ка1.

Трансформатор 4 СВЧ-моды, изготовленный в виде полоски металлической фольги с плавно меняющейся шириной по всей длине, расположен в пазе диэлектрической пластины 3, выполненном со стороны полосковой линии 5 вдоль ее оси в плоскости, перпендикулярной пластине 3.

Способ неразрушающего измерения СВЧ-параметров сверхпроводника осуще- ствляют следующим образом.

Через полосковую линию 5 на устройство с установленным на нем исследуемым образцом 9 подают два СВЧ-сигнала с частотами fi и fz и мощностью соответственно Pi и Р2,

причем PI Р2. Сигнал частоты fi модулирован по амплитуде с частотой модуляции fa. С помощью трансформатора 4 вба сигнала поступают на отрезок 1 измерительной линии, который вместе с поверхностью сверхпроводящего образца 9, расположенный над отрезком 1, и диэлектрической пленкой 8 между ними образуют отрезок несимметричной полосковой линии 10, для которой земляным проводником является сверхпроводящая поверхность образца 9 (см, фиг. 2), Поскольку каждый из участков 11, 12 металлизации 2, расположенных у концов отрезка 1, образуете поверхностью сверхпроводящего образца, расположенной над ним, плоский конденсатор большой емкости, то сопротивление этих конденсаторов на частотах СВЧ-излучения, в том числе на частотах fi и Г2,оказывается много меньше волнового сопротивления f0 несимг метричной полосковой линии 10. При этом посредством емкости, образованной участком 11 металлизации, осуществляется короткое замыкание полосковой линии 10, а посредством емкости, образованной участком 12, осуществляется связь отрезка полосковой линии 10 с трансформатором 4. Таким образом, локальный участок поверхности исследуемого образца 9, расположенный над отрезком 1 измерительной линии, оказывается включенный в тракт полосковой линии 10. Такой способ включения образца 9 в тракт линии 10 исключает проникновение моды СВЧ-поля в диэлектрическую подложку образца в случае исследования пленочного сверхпроводника, и поэтому параметры линии 10 не зависят от материала подложки сверхпроводника. Поскольку длина отрезка 1 измерительной линии выбрана много меньше длин волн СВЧ- излучения, в том числе излучения с частотами fi и Т2, то токи в емкостях, образованных участками металлизации 11 и 12, можно считать в каждый момент времени равными и противоположно направленными. Поэтому возбуждения поля этими токами в области диэлектрической пленки 8 между металлизацией 2 и сверхпроводящей поверхностью образца 9 не происходит, что позволяет при измерениях пренебречь величиной потерь на излучение.

Измерение критической плотности jc СВЧ-тока сверхпроводника 9 в локальной области, ограниченной размерами отрезка 1 измерительной линии, осуществляют, плавно увеличивая мощность Pi сигнала на частоте fi до момента появления в применяемом отраженном сигнале на частоте f2 составляющей на частоте модуляции fs. регистрируют соответствующее этому моменту значение мощности PI сигнала частоты ft и по нему определяют плотность критического тока сверхпроводящего образца 9 из соотношения:

Jc

r-3Јf

W h

где W - поперечный размер отрезка 1;

h- глубина проникновения СВЧ-токов в сверхпроводник.

Формула изобретения

1.Способ неразрушающего измерения СВЧ-параметров сверхпроводника, включающий воздействие на исследуемый образец СВЧ-сигналом частоты fi мощностью Pi и прием отраженного СВЧ-сигнала и измерение коэффициента отражения, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и обеспечения измерений плотности критического тока сверхпроводника в широком диапазоне частот, дополнительно на исследуемый образец воздействуют СВЧ-сигналом частоты h мощностью Ра, Р2 « Pi, при этом сигнал частоты fi модулируют по амплитуде с частотой модуляции Тз, а отраженный сигнал принимают на частоте f2, мощность сигнала частоты fi плавно увеличивают до момента fj появления в отраженном сигнале составляющей на частоте модуляции fa, регистрируют соответствующее этому моменту значение мощности Pi° сигнала частоты fi, по которой определяют критический ток сверхпроводника по зависимости, связывающей искомый параметр с измеренными.

2.Датчик для неразрушающего измерения СВЧ-параметров сверхпроводника, содержащий входной узел, отрезок измерительной линии и выходной узел, отличающийся тем, что отрезок измерительной линии и входной узел выполнены ьа противоположных сторонах диэлектрической пластины, при этом отрезок измерительной линии выполнен в виде полоски металла или проводника круглого сечения с поперечными и продольными размерами, много меньшими длины волны СВЧ-излучения, и размещен в окне, выполненном в металлизации диэлектрической пластины, поперечные размеры которого много больше поперечных размеров отрезка измерительной линии, а продольные - порядка длины отрезка измерительной линии, при этом один конец отрезка измерительной линии подсоединен к металлизации диэлектрической пластины, а другой - через трансформатор СВЧ-моды подсоединен к входному узлу, выполненному в виде полосковой линии на противоположной стороне диэлектрической пластины, поверхность которой со стороны размещения отрезка измерительной линии покрыта диэлектрической пленкой.

3. Датчик по п. 2, отличающийся тем, что трансформатор СВЧ-моды выполнен в виде полоски металлической фольги с

плавно меняющейся шириной вдоль всей ее длины, которая расположена в пазе диэлектрической пластины, выполненном со стороны полосковой линии вдоль ее оси в плоскости, перпендикулярной диэлектрической пластине, при этом полоска металлической фольги подсоединена к полосковой линии одной из своих боковых сторон, а противолежащим ей углом - к отрезку измерительной линии.

Изобретение относится к измерительной технике СВЧ. Цель изобретения - повышение чувствительности и обеспечение измерений плотности критического тока сверхпроводника в широком диапазоне частот. Способ неразрушающего изменения СВЧ-параметров сверхпроводника включает воздействие на исследуемый образец СВЧ-сигналом частоты fi мощностью PI и прием обращенного сигнала, дополнительное воздействие на исследуемый образец СВЧ-сигналом частоты fa мощностью Р2 « Pi, при этом сигнал частоты fi модулируют по амплитуде с частотой fa, мощность сигнала частоты ft плавно увеличивают до момента появления в отраженном сигнале составляющей на частоте модуляции fa, измеряют мощность Pi° частоты fi, соответствующую этому моменту, и по измеренной мощности определяют плотность критического тока сверхпроводника по математическому выражению, связывающему искомый и измеренные величины. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 2 ил. (Л

V

Фиг.1

S / 5 4 7/

Фиг. 2