Сверхпроводниковый приемник теплового излучения Советский патент 1985 года по МПК H01L39/08 

00

о со

00 00 ЙзоЬретение относится к криоэлектронике. Шроко известны сверхпроводящие приемники теплового излучения - боло метры, обладакщие высокой чувствительностью в широком диапазоне длин волн и малыми тепловыми шумами, вклю чанмцие в себя приемную площадку,, поглощакицую падающее излучение, и чувс вительный элемент,вьтолненныйв виде узкой пленки сверхпроводника первого рода, нанесенной на стеклянную подложку, края которой лежат на массивном медном основании- теплостоке.Свер проводящая пленка играет роль чувствительного элемента, в котором изме ние feмпepaтypы пленки под действием теплового излучения регистрируется благодаря использованию/большой кру тизны температурной зависимости элек трического сопротивления сверхпровод ника l . Известна также конструкция болометра, в которой чувствительньй эле мент вьтолнен в виде оловянной пленки, нанесенной на слюдяную подложку 2. Подложка с пленкой подвешивается на нейлоновых растяжках к основанию теплостоку из латуни, чем достигает ся малая теплопроводность от чувствительного элемента к теплостоку. Общим недостатком известных конструкций сверхпроводниковьк болометров является обратно пропорциональная связь между чувствительностью 6 и постоянной времени о , кото рая вьфажается следующим образом с- 1 JR С) где - коэффициент поглощения излучения;J - рабочий ток через чувствительный элемент; крутизна изменения сопротивления в области сверхпроводящего перехода; теплопроводность от болометра к теплостоку; теплоемкость. Таким образом, из приведенных выражений видно, что повьипение чувстви тельности за счет снижения теплопроводности G неизбежно ведет к увеличению постоянной времени о , Поэтому 8 повышение одновременно обоих указанных параметров в известных конструк1ЩЯХ сверхпроводящих болометров возможно лишь при одновременном уменьшении теплоемкости и теплопроводности. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является сверхпроводниковьй приемник теплового излучения, содержащий чувствительный элемент из сверхпроводящей пленки с приемной поглощающей площадкой, нанесенные на теплоизолирующую диэлектрИческую подложку, закрепленную на теплоотводящем блоке З . Чувствительный элемент сформирован из группы идентичных приемных площадок, выполненных в форме меандра и изолированных друг от друга. Поглощающий слой расположен поверх каждого меандра и изолирован от последнего пленкой диэлектрика. Несмотря на высокое значение параметров упомянутого сверхпроводящего болометра, ему присущи два существенных недостатка: невозможность использования болометра в режиме накопления, что ограничивает возможность улучшения динамических характеристик; невозможность управления процессом отвода тепла от чувствительного элемента, что не позволяет повысить быстродействие без снижения чувствительности. Цель изобретения - повышение быстродействия приемника теплового излучения и обеспечения в нем режима накопления . Поставленная цель достигается тем, что сверхпроводниковый приемник теплового излучения, содержащий чувствительньй элемент из сверхпроводящей пленки с приемной поглощающей площадкой, нанесенные на теплоизолирующую диэлектрическую подложку, закрепленную на теплоотводящем блоке, дополнительно снабжен источником поперечного для чувствительного элемента магнитного поля, чувствительньй элемент выполнен в виде двух параллельных и изолированных одна от другой полос из сверхпроводникового материала второго рода, первая попоса размещена над отверстием в теплоотводящем блоке, образуя центральной частью приемную площадку, а продолжением длинных сторон шину считывания с потенциальными контактами, причем на второй полосе вьшолнен выступ, расположенный напротив приемной площадки и над частью ее пов-ерхности. Чувствительный элемент приемника находится в поперечном магнитном поле, величина которого соответствует нижнему критическому значению магнитного поля для данного сверхпроводника при заданной рабочей температуре. При указанной величине магнитного поля, сверхпроводник пере ходит в смешанное состояние, которое характеризуется тем, что в нем обра- зуется множество мелких нормальных областей, имеющих цилиндрическую фор му и располагающихся параллельно при ложенному полю. При этом часть внешнего магнитного потока проникает в сверхпроводник через нормальные области, причем величина магнитного потока, проходящего через каждую нормальную область, квантуется и имеет постоянное значение, равное 2.07 10 Вб. Количество квантов магнитного потока определяет ся величиной суммарного магнитного потока, проходящего через сверхпрово никовую пленку, который зависит от температуры при заданной величине внешнего магнитного поля. Зависимость суммарного магнитного потока, проходящего через сверхпроводник, от температуры обладает большой крутизной в области перехода сверхпроводника из сверхпроводящего состояния в смешанное. Таким образом, изменени температуры пленки под действием теп лового излучения приводит к резкому изменению числа квантов потока, причем образование квантов сопровождается поглощением тепла, следовательно, энергия излучения преобразуется в энергию квантов магнитного потока. Регистрацию числа квантов магнитного потока в приемной площадке можно осуществить путем пропускания тока через сверхпроводник, что вызовет движение квантов перпендикулярно течению тока по поверхности сверхпроводника под действием силы Лоренца. В результате такого движения, на концах сверхпроводящей пленки возникает напряжение, величина которого пропорциональна числу квантов магнит ного потока. Благодаря возможности перемещать кванты по поверхности сверхпроводника под действием тока, можно осуществить сброс накопленной в виде квантов магнитного потока тепловой информации. На фиг. 1 изображен предлагаемый сверхпроводниковый приемник; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1. Устройство размещено на подложке 1, вьтолняющей одновременно роль теплостока и фильтра тепловых флуктуации. Подложка должна иметь достаточно высокую теплопроводность и может быть выполнена, например, из монокристаллического кремния. Изолирующий слой 2, сформированный на подложке 1, образует над отверстием 3 в подложке 1, контур которого показан щтрих-пунктирной линией, теплоизолирующую диафрагму, выполненную, например, из окисла кремния. На теплоизолирующей диафрагме размещена приемная площадка 4, выполненная из сверхпроводника второго рода, например из ниобия, тантала или ванадия. Для увеличения коэффициента поглощения излучения на приемную площадку может быть нанесен слой 5 поглощающего материала, например висмут или сажа. Из того же сверхпроводника 2 рода, что и приемная площадка 4, выполнена токовая щина 6 и потенциальные контакты 7, связанные с шиной. С приемной площадки 4 магнитосвязана вторая токовая щина 8, электрически отделенная от приемной площадки слоем диэлектрика 9 и выполненная также из сверхпроводника второго рода с идентичньти свойствами. Для обеспечения надежной магнитной связи между элементами 4 и 8 они должны перекрьгоаться на расстоянии нескольких диаметров вихря (сотни манометров) . Толщина диэлектрического слоя 9 должна быть порядка 0,1 мкм .с тем, чтобы обеспечить магнитную связь в этой области пересечения между двумя сверхпроводящ11ми пленками. Магнитосвязанными сверхпроводниками можно считать такие пленки, в которых нормальные области расположены одна над другой и связаны общими линиями магнитного потока. Благодаря такой связи возможен переход квантов магнитного потока с одной сверхпроводниковой пленки на другую под действием силы Лоренца. Работа прибора осуществляется следуюпщм образом.

Постоянное внешнее магнитное поле поддерживает область приемной площадки 4 в состоянии, близком к критическому . Под действием излучения повышается температура приемной площадки 4, в результате чего часть внешнего магнитного потока проникает в сверхпроводник в области приемной площадки с поглощением тепла и распределится в нем в виде пакета квантов магнитного потока.Информация о тепловом потоке, накопленная в виде количества квантов. пропорционального тепловому потоку, считьшается в виде напряжения на контактных площадках 7 при пропускании считывающего тока ) через шину 6, в результате чего кванты магнитного потока будут двигаться под действием силы Лоренца перпендикуляр но направлению тока 3 рщ в направлении к шине 8. Благодаря магнитной связи между элементами 4 и В через диэлектрик 9, кванты проходят без потерь через область перекрытия двух сверхпроводниковых пленок.

Длительность импульса считьтающего токаС1((у через шину 6 определяется тем, что пакет .квантов во время действия импульса должен полностью передвинуться в шину 8 через область

перекрытия двух сверхпроводящих пленок. Одновременно с импульсом считывания Зет через шину 8 пропускается импульс тока сброса 3, одинакова направленньй с импульсом , обеспечивающий дальнейшее продвижение пакета квантов по выступу шины к противоположному ее краю, где кванты аннигилируют, вьщеляя тепло, которое отводится через массивную часть подложки 1, благодаря ее связи с теплоотводящим блоком.

В предлагаемом приемнике теплового излучения процесс теплоотвода от приемной площадки является управляемым, поскольку большая часть поглощающего тейла переходит в энергию квантов магнитного потока, перемещением которых можно управлять при помощи токовых импульсов, что позволяет использовать приемник в режиме накопления. Применение двух электрически разделенных пленок сверхпроводника приводит к тому, что процесс считывания и сброса пакета квантов можно производить независимо, что позволяет уменьшить время считывания и, следовательно, повысить быЪтродействие.

ТГ

СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИЕМНИК ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий чувствительный элемент из сверхпроводящей пленки с приемной поглощающей площадкой, нанесенные на теплоизолирующуюдиэлектрическую подложку, закрепленную на теплоотводящем блоке, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия приемника и обеспечения в нем режима накопления, он дополнительно снабжен источником поперечного для чувствительного элемента магнитного поля, чувствительный элемент выполнен в виде двух параллельных и изолированных одна от другой полос из сверхпроводникового материала второго рода, первая полоса размещена над отверстием в тепло- отводящем блоке, образуя центральной частью приемную площадку, а продолжением длинных сторон - шину считывания с потенциальными контактами, причем на второй полосе вьтолнен выступ, расположенный напротив приемной площадки и над частью ее поверхности.i<Л