Сверхпроводниковый приемник теплового излучения

 

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 теплоотводящем 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

(19) (11) CO)03 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 Н 01 1 39/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 2835415/18-25 (22) 31. 10. 79 . (46) 15.08.85. Бюл. )(30 (72) Н.В.Алфеев и Д.П.Колесников (53) 621. 326 (088.8) (56) 1.Авторское свидетельство СССР

N 2662272,,кл. Н 01 L 39/00, 1968.

2. Зайцев Г.А., Хребтов И.А.

Сб. "Тепловые приемники излучения".

Киев, "Наукова думка", 1967, с. 146.

3.Авторское свидетельство СССР по заявке )(2689757/ l8-25, кл. Н 01 L 39/14, 1978 (прототип). (54)(57) СВЕРХПРОВОДНИКОВ) )Й ПРИЕМНИК

ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий чувствительный элемент из сверхпроводящей пленки с приемной поглощающей площадкой, нанесенные на теплоизолирующую диэлектрическую подложку, закрепленную на теплоотводящем блоке, о т— л и ч а ю шийся 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 иэ сверхпроводникового материала второго рода, первая полоса размещена над отверстием в теплоотводящем блоке, образуя центральной частью приемную площадку, а продолжением длинных сторон — шину считывания с потенциальными контактами, причем на второй полосе выполнен выступ, расположенный напротив приемной площадки и над частью ее поверхности.

4О с

Я .,с

dT G

1 где Е

- коэффициент поглощения излучения; 45 — рабочий ток через чувствительный элемент; Т вЂ” крутизна изменения сопротивления в области сверхпроводящего перехода; 50 — теплопроводность от болометра к теплостоку;

С вЂ” теплоемкость.

Таким образом, из приведенных выражений видно, что повышение чувстви-55 тельности за счет снижения теплопроводности G неизбежно ведет к увеличению постоянной времени о . Поэтому

1 80793

Йзобретение относится к криоэлектронике.

Широко известны сверхпроводящие приемники тепловОго излучения — болометры, обладающие высокой чувствительностью в широком диапазоне длин волн и малыми тепловыми шумами, включающие в себя приемную площадку,, поглощающую падающее излучение, и чувствительный элемент,выполненныйв виде .10 узкой пленки сверхпроводника первого рода, нанесенной на стеклянную подложку, края которой лежат на массивном медном основании — теплостоке. Сверхпроводящая пленка играет роль чувст- 15 вительного элемента, в котором изменение температуры пленки под действием теплового излучения регистрируется благодаря использованию, большой крутизны температурной зависимости элек-2О трнческого сопротивления сверхпроводника (1) .

Известна также конструкция болометра, в которой чувствительный элемент выполнен в виде оловянной плен- 25 ки, нанесенной на слюдяную подложку (2) .

Подложка с пленкой подвешивается на нейлоновых растяжках к основанию-. теплостоку из латуни, чем достигает- 30 ся малая теплопроводность от чувст" вительного элемента к теплостоку.

Общим недостатком известных конструкций сверхпроводниковых боло- . метров является обратно пропорциональная связь между чувствительнос,Г\ тью 5 и постоянной времени, которая выражается следующим образом

8 2 повышение одновременно обоих указанных параметров в;известных конструкциях сверхпроводящих болометров возможно лишь при одновременном уменьшении теплоемкости и теплопроводности.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является сверхпроводниковый приемник теплового излучения, содержащий чувствительный элемент из сверхпроводящей пленки с приемной поглощающей площадкой, нанесенные на теплоизолирующую диэлектрическую подложку, закрепленную на теплоотводящем блоке )3j .

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 чувствительный элемент нз сверхпроводящей пленки с приемной поглощающей площадкой, нанесенные на теплоизолирующую диэлектрическую подложку, закрепленную на теплоотводящем блоке, 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 теплоотводящем блоке, образуя центральной частью приемную площадку, а продолжением длинных сторон шину

938 4 з 807 считывания с потенциальными контактами, причем на второй полосе выполнен выступ, расположенный напротив приемной площадки и над частью ее поверхности.

Чувствительный элемент приемника находится в поперечном магнитном поле, величина которого соответствует нижнему критическому значению магнитного поля для данного сверхпроводника при заданной рабочей температуре. При укаэанной величине магнитного поля, сверхпроводник переходит в смешанное состояние, которое характеризуется тем, что в нем образуется множество мелких нормальных областей, имеющих цилиндрическую форму и располагающихся параллельно приложенному полю.

При этом часть внешнего магнитно- 2б го 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 EG. Количество квантов магнитного потока определяется величиной суммарного магнитного потока, проходящего через сверхпроводниковую пленку, который зависит от З< температуры при заданной величине внешнего магнитного поля. Зависимость суммарного магнитного потока, проходящего через сверхпроводник, от температуры обладает большой крутизной в области перехода сверхпровод35 ника из сверхпроводящего состояния в смешанное ° Таким образом, изменение температуры пленки под действием теплового излучения приводит к резкому

40 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 мож но 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 магнитного 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, выполняющей одновременно роль теплостока и фильтра тепловых флуктуаций. Подложка должна иметь достаточно высокую теплопроводность и может бьггь выполнена, например, из монокристаллического кремния. Изолирующий слой 2, сформированный на подложке 1, образует над отверстием 3 в подложке 1, контур которого показан штрих-пунктирной линией, теплоизолирующую диафрагму, выполненную, например, из окисла кремния. На теплоиэолирующей диафрагме размещена приемная площадка 4, выполненная иэ сверхпроводника второго рода, например иэ 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 шина 6 и потенциальные контакты 7, связанные с шиной.

С приемной площадки 4 магнитосвязана вторая токовая шина 8, электрически отделенная от приемной площадки слоем диэлектрика 9 и выполненная также из сверхпроводника второго рода с идентичньп и свойствами. Для обеспечения надежной магнитной связи между элементами 4 и 8 они должны перекрываться на расстоянии нескольких диаметров вихря (сотни манометров). Толщина диэлектрического слоя

9 должна быть порядка О, 1 мкм .с тем, чтобы обеспечить магнитную связь в этой области пересечения между двумя сверхпроводящими пленками. Иагнитосвязанными сверхпроводниками можно считать такие пленки, в которых нормальные области расположены одна над другой и связаны общими линиями магнитного потока. Благодаря такой

iсвязи возможен переход квантов магнитного потока с одной сверхпроводниковой пленки на другую под действием силы Лоренца.

Работа прибора осуществляется следующим образом.

807938

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 магнитногопотока. Информация о тепловом потоке, накопленная в виде количества квантов, пропорционального тепловому потоку, считывается в виде напряжения на 15 контактных площадках 7 при пропускании считывающего тока (д ц) через шину 6, в результате чего кванты магнитного потока будут двигаться под действием силы Лоренца перпендикуляр- 7Q но направлению тока Зс„ в направлении к шине 8. Благодаря магнитной связи между элементами 4 и 8 через диэлектрик 9, кванты проходят без потерь через область перекрытия 25 двух сверхпроводниковых пленок.

Длительность импульса считывающего тока дсM через шину 6 определяется тем, что пакет, квантов во время 1 действия импульса должен полностью передвинуться в шину 8 через область перекрытия двух сверхпроводящих пленок. Одновременно с импульсом считывания 3 см через шину 8 пропускается импульс тока сброса 3 одинаково направленный с .импульсом ц, обеспечивающий дальнейшее продвижение пакета квантов по выступу шины к противоположному ее краю, где кванты аннигилируют, выделяя 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 испольэовать 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, новысить быстродействие.

807938

Составитель В.,Далинин

Техред А.Бабинец Корректор.О.Тигор

Редактор С.Титова

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная,4

Заказ 5764/2 Тираж 679 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5