Измеритель характеристик объектов с джозефсоновскими переходами
Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована при регистрации в автоматическом режиме вольт-амперных (ВАХ), вольт-полевых (ВПХ) и шумовых характеристик объектов с высокотемпературными джозефсоновскими переходами (ОДП), например одиночные джозефсоновские переходы или СКВИДы. Решаемая полезной моделью задача состоит в расширении функциональных возможностей измерителя характеристик ОДП, а именно в повышении его информативности за счет увеличения чувствительности и обеспечения возможности наряду с измерениями ВАХ, и ВПХ измерений и шумовых характеристик ОДП в одном цикле охлаждения. Устройство содержит исследуемый ОДП, размещенный в криостате, окруженном магнитным экраном, два источника тестового тока, каждый из которых состоит из последовательно соединенного преобразователя напряжение-ток и цифро-аналогового преобразователя, измерительный усилитель и регистратор, охлаждаемый предусилитель с источником питания, катушку намагничивания, микропроцессор (МП) и персональный компьютер (ПК) со специализированным программным обеспечением (ПО). При этом охлаждаемый предусилитель, размещен в криостате, заполненном жидким азотом с температурой 77 К. Особенностью предлагаемого измерителя характеристик ОДП является использование охлаждаемого предусилителя, повышающего чувствительность устройства и, как следствие, расширение его функциональных возможностей, а именно, появляется возможность измерения полного набора характеристик ОДП: ВАХ, ВПХ и шумовых за один цикл охлаждения. МП предназначен для управления в автоматическом режиме потоками цифровых данных с АЦП и двух ЦАП и для передачи данных через соответствующий интерфейс связи в ПК, в котором с помощью специализированного ПО выполняется функция регистрации измеряемых данных. Автоматизация процесса измерения осуществляется с помощью ПО по определенному алгоритму.
Заявляемая полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована при регистрации в автоматическом режиме вольт-амперных (ВАХ), вольт-полевых (ВПХ) и шумовых характеристик объектов с высокотемпературными джозефсоновскими переходами (ОДП), например одиночные джозефсоновские переходы или СКВИДы.
Известно устройство для измерения малых значений постоянного тока и напряжения, которые могут быть использованы для измерения ВАХ характеристик джозефсоновских переходов (В.К.Жуков, Б.Б.Винокур, А.М.Нестеров. - Измерительная техника. Учебное пособие, - Томск: "Печатная Мануфактура", 2003, - 284 с). Однако поставленную нами задачу известное устройство не решает, поскольку не применимо для измерения полного набора характеристик криоэлектронных устройств.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство для измерения характеристик джозефсоновского перехода по четырехконтактной схеме (А.Бароне, Дж.Патерно. - Эффект Джозефсона. Физика и применение. М. : Мир, 1984, с.84-87). В этом устройстве исследуемый ОДП охлаждают в гелиевом криостате, размещенном внутри магнитного экрана. Устройство содержит источник тестового тока, в общем случае состоящий из преобразователя напряжение-ток, последовательно соединенного с цифро-аналоговым преобразователем, и измерительный усилитель, к которым по четырехконтактной схеме подключен исследуемый ОДП, а также осциллограф в качестве регистратора.
Принцип действия устройства состоит в следующем: ток в исследуемый ОДП задают с помощью источника тестового тока, напряжение на контакте усиливают с помощью измерительного усилителя. Это напряжение подается на х-вход осциллографа. На y-вход осциллографа подается напряжение, пропорциональное току в контакте. Таким образом, на экране осциллографа отображается ВАХ характеристика ОДП. В известном устройстве принципиально существует возможность по аналогичной схеме измерять и ВПХ. Однако измерение шумовых характеристик ОДП в данной системе невозможно из-за того, что шумовые параметры измерительного усилителя превышают шумовые параметры ОДП.
Особенностью прототипа являются его ограниченные функциональные возможности, заключающиеся в том, что за один цикл охлаждения известное устройство измеряет только ВАХ и ВПХ ОДП.
Решаемая техническая задача состоит в расширении функциональных возможностей измерителя характеристик ОДП, а именно в повышении его информативности за счет увеличения чувствительности и обеспечения возможности наряду с измерениями ВАХ и ВПХ, также измерений шумовых характеристик ОДП в одном цикле охлаждения.
Поставленная задача решается следующим образом. В предлагаемый измеритель, который содержит исследуемый ОДП, размещенный в криостате, окруженном магнитным экраном, первый источник тестового тока, состоящий из последовательно соединенного преобразователя напряжение-ток и цифро-аналогового преобразователя, измерительный усилитель и регистратор, вводят охлаждаемый предусилитель с источником питания, катушку намагничивания, второй источник тестового тока, микропроцессор (МП) и персональный компьютер (ПК) со специализированным программным обеспечением (ПО). При этом охлаждаемый предусилитель, размещен в криостате, заполненном жидким азотом с температурой 77 К. Выбор азотного криостата обусловлен тем, что в исследуемом объекте использованы новые сверхпроводящие материалы (ВТСП), имеющие рабочую температуру, равную температуре кипения жидкого азота. Первый и второй источники тестового тока конструктивно выполнены одинаково. Катушка намагничивания, предназначенная для создания в области расположения ОДП тестового магнитного потока, соединена с дифференциальным выходом второго источника тестового тока. Размещена катушка намагничивания вблизи ОДП внутри криостата. В общем случае размещение катушки намагничивания по отношению к ОДП определяется решаемой задачей и конструктивными особенностями измерителя. ОДП по четырехконтактной схеме подключен к выходу первого источника тестового тока и к дифференциальному входу охлаждаемого предусилителя, дифференциальный выход которого через измерительный усилитель подключен к входу АЦП. Вводимый в измеритель МП предназначен для управления в автоматическом режиме потоками цифровых данных с АЦП и двух ЦАП и для передачи данных через соответствующий интерфейс связи в ПК, в котором с помощью специализированного ПО выполняется функция регистрации измеряемых данных. Автоматизация процесса измерения осуществляется с помощью ПО по следующему алгоритму. Оператор выбирает режим измерения и задает в ПК шаг измерения, начальные и конечные значения переменных и параметров. После команды «Старт» в микропроцессор поступает команда управления. Выполнение МП этой команды приводит к установлению заданных оператором значений токов в источниках тестового тока и измерению сигнала на входе АЦП. Последовательность команд управления в автоматическом режиме обеспечивает полное прохождение заданных оператором значений токов и измерение соответствующих сигналов. Полученные данные отображаются на мониторе ПК в виде графиков.
Особенностью предлагаемого измерителя характеристик ОДП является использование охлаждаемого предусилителя, повышающего чувствительность устройства и, как следствие, расширение его функциональных возможностей,
а именно, появляется возможность измерения полного набора характеристик ОДП: ВАХ, ВПХ и шумовых за один цикл охлаждения.
Предлагаемая полезная модель поясняется фиг.1, на которой представлена блок-схема измерителя характеристик ОДП. На фиг.2 - блок-схема конкретного исполнения измерителя характеристик ОДП, в котором используется микропроцессор со встроенными АЦП-ЦАП, а в качестве исследуемого ОДП - ВТСП СКВИД.
На фиг.1 измеритель содержит исследуемый ОДП 1, помещенный в азотный криостат 2, окруженный магнитным экраном 3. Дифференциальный выход первого источника тестового тока 4, соединен с исследуемым ОДП 1. Дифференциальный выход второго источника тестового тока 5, соединен с катушкой намагничивания 6, размещенной в криостате 2. Охлаждаемый предусилитель 7, размещен также в криостате 2. Дифференциальный вход охлаждаемого предусилителя 7 соединен с исследуемым ОДП 1, а выход с дифференциальным входом измерительного усилителя 8. Выход последнего подключен к входу АЦП 9. ЦАП-1, ЦАП-2 и АЦП подключены к микропроцессору 10, соединенному по интерфейсу связи с ПК 11. Источник питания 12 подключен ко входу питающего напряжения охлаждаемого предусилителя 7.
Работу предлагаемого устройства рассмотрим на примере измерения характеристик ВТСП СКВИДа (фиг.2). В опытном образце, реализованном на современной элементной базе, ЦАП-1, ЦАП-2 и АЦП выполнены встроенными в микропроцессор 10. В качестве микропроцессора использована микросхема фирмы "Texas instruments" MSC 1212, которая выполняет логические операции, осуществляющие преобразования потоков данных в соответствии со специализированным ПО и координирует работу встроенных блоков. Охлаждаемый предусилитель 7, размещенный в азотном криостате 2, вместе с измерительным усилителем 8 обеспечивают усиление сигнала от исследуемого СКВИДа 1 до уровня, необходимого для работы встроенного АЦП 9 микропроцессора 10. В нашем случае охлаждаемый предусилитель 7 выполнен на основе биполярных транзисторов (N.N.Ukhansky, S.A.Gudosh-nikov, I.I.Vengrus, O.V.Snigirev. "Low noise Liquid nitrogen preamplifier for a high - Tc SQUID" - Proc. Conf. ISEC-95, 1995, Japan). В качестве регистратора использован ПК 11 с центральным процессором «Пентиум-2», оперативной памятью 256 Мб и операционной системой Windows 2000. Возможны и другие типы микропроцессора, интерфейса и ПК. При измерениях оператор выбирает требуемый тип измерений: ВАХ, ВПХ или шумы, при этом в микропроцессор 10 поступают соответствующие команды.
При измерениях ВАХ в микропроцессоре 10 формируются управляющие коды, поступающие на управляемые входы источников тестового тока 4 и 5. Первый источник тестового тока 4 создает пилообразный тестовый ток, прикладываемый к СКВИДу 1. Второй источник тестового тока 5 создает ток постоянной величины, который прикладывается к катушке намагничивания 6 (в нашем образце она размещена на расстоянии порядка 2 мм от исследуемого СКВИДа), создавая в области расположения СКВИДа 1 фиксированный магнитный поток. Выходное напряжение СКВИДа 1 усиливается охлаждаемым
предусилителем 7, запитываемым от источника питания 12, и далее после измерительного усилителя 8 поступает на встроенный АЦП 9 микропроцессора 10, осуществляющий преобразование данных в цифровую форму. МП 10 обеспечивает управление в автоматическом режиме потоками цифровых данных и передачу данных в ПК 11 через последовательный интерфейс RS-232. В результате измерения на экране монитора ПК 11 отображается зависимость величины напряжения на СКВИДе 1 от протекающего по нему тока при фиксированном значении магнитного потока. Изменяя значение прикладываемого магнитного потока можно измерить семейство ВАХ СКВИДа. Из этих характеристик определяется величина критического тока СКВИДа, глубина модуляции критического тока и его нормальное сопротивление.
При измерениях ВПХ в микропроцессоре 10 формируются управляющие коды, поступающие на управляемые входы источников тестового тока 4 и 5. Первый источник тестового тока 4 в этом случае создает постоянный тестовый ток, немного превышающий величину критического тока СКВИДа. Этот ток прикладывается к СКВИДу 1. Второй источник тестового тока 5 создает пилообразный ток, прикладываемый к катушке намагничивания 6, создавая в области расположения СКВИДа 1 линейно нарастающий магнитный поток. Выходное напряжение СКВИДа 1 усиливается охлаждаемым предусилителем 7, запитываемым от источника питания 12, и далее после измерительного усилителя 8 поступает на встроенный АЦП микропроцессора 10 осуществляющий преобразование данных в цифровую форму. МП 10 обеспечивает управление в автоматическом режиме потоками цифровых данных и передачу данных в ПК 11 через последовательный интерфейс RS-232. В результате измерения на экране монитора ПК отображается зависимость величины напряжения на СКВИДе 1 от пронизывающего площадь петли СКВИДа магнитного потока. Изменяя значение тока смещения можно измерить семейство ВПХ СКВИДа. Из этих характеристик определяется размах передаточной характеристики СКВИДа и ее крутизна преобразования.
При измерениях шумовых характеристик в микропроцессоре 10 формируются управляющие коды, поступающие на управляемые входы источников тестового тока 4 и 5. Первый источник тестового тока 4 в этом случае создает постоянный тестовый ток, немного превышающий величину критического тока СКВИДа, который подается на СКВИД 1. Второй источник тестового тока 5 так же создает постоянный тестовый ток, прикладываемый к катушке намагничивания 6, создавая в области расположения СКВИДа постоянный магнитный поток. Выходное напряжение СКВИДа 1 усиливается охлаждаемым предусилителем 7, запитываемым от источника питания 12, и далее после измерительного усилителя 8 поступает на встроенный АЦП 9 микропроцессора 10, осуществляющий преобразование данных в цифровую форму. МП 10 обеспечивает управление в автоматическом режиме потоками цифровых данных и передачу данных в ПК 11 через последовательный интерфейс RS-232. Результатом измерения является шумовое напряжение СКВИДа, которое после Фурье преобразования отображается в виде шумового спектра на экране монитора ПК 11. Благодаря тому, что шумы используемого
охлаждаемого предусилителя 7 ниже собственных шумов СКВИДа 1, из измеренного спектра определяется величина белого шума исследуемого СКВИДа 1 и величина его избыточных низкочастотных шумов.
Испытания созданного авторами образца измерителя показали, что заложенные в нем технические параметры соответствуют расчетным параметрам, при этом было достигнуто снижение собственного шума измерителя до 0,2 нВ/Гц1/2, что приблизительно в 5 раз лучше, чем в известных устройствах подобного назначения.
Измеритель характеристик объектов с джозефсоновскими переходами, содержащий окруженный магнитным экраном криостат с размещенным внутри объектом с джозефсоновскими переходами, первый источник тестового тока, измерительный усилитель и регистратор, при этом первый источник тестового тока состоит из преобразователя напряжение-ток, последовательно соединенного с цифроаналоговым преобразователем, отличающийся тем, что в него введены размещенный в азотном криостате охлаждаемый предусилитель, источник питания предусилителя, второй источник тестового тока, аналогичный первому, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор и катушка намагничивания, соединенная с дифференциальным выходом второго источника тестового тока и размещенная вблизи объекта с джозефсоновскими переходами внутри азотного криостата, при этом объект с джозефсоновскими переходами подключен по четырехконтактной схеме к выходу первого источника тестового тока и к дифференциальному входу охлаждаемого предусилителя, соединенного с источником питания, дифференциальный выход охлаждаемого предусилителя подключен к дифференциальному входу измерительного усилителя, который в свою очередь подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, входы источников тестового тока и выход аналого-цифрового преобразователя подключены к микропроцессору, а выход микропроцессора через интерфейс связи - к входу регистратора, выполненного в виде персонального компьютера.
