Окб астрон, www. Astrohn. Ru резонансный болометр

ОКБ АСТРОН, WWW.ASTROHN.RU Резонансный болометр Аннотация Резонансный болометр относится к измерительной технике и может быть использован в устройствах обнаружения электромагнитного излучения, преимущественно для определения слабых потоков электромагнитного излучения в спектральном интервале субмиллиметровых волн. Функционирование резонансного болометра основано на преобразовании энергии электромагнитного излучения в тепловую энергию термочувствительным приемным элементом, интегрированным в высокодобротный резонансный колебательный контур. Незатухающие колебания резонансного контура поддерживаются за счет его накачки малошумным автогенератором периодических колебаний заданной амплитуды и частоты, который функционирует на основе физических свойств джозефсоновского контакта. Резонансный болометр может найти применение, как при проведении научных исследований, так и при разработке точной измерительной аппаратуры. В настоящей работе изучается математическая модель резонансного болометра, физические параметры которого отвечают уже достигнутому уровню технологий наномеханики. Оценка шумов, устанавливающих порог чувствительности термометра по мощности входного сигнала, составляет . Введение Исследуется модель резонансного болометра, функционирование которого основано на преобразовании энергии электромагнитного излучения в тепловую энергию термочувствительным приемным элементом, интегрированным в высокодобротный резонансный колебательный контур. Незатухающие колебания резонансного контура поддерживаются за счет его накачки малошумным автогенератором периодических колебаний заданной амплитуды и частоты, который функционирует на основе физических свойств джозефсоновского контакта. Термочувствительный приемный элемент резонансного контура обладает переходом из сверхпроводящего состояния в резистивное состояние. Процедура измерения заключается в регистрации изменения амплитудных и фазовых характеристик при воздействии на термочувствительный приемный элемент потока определяемого электромагнитного излучения, по которым и определяется величина потока. Предварительно температура всех участков болометра устанавливается несколько ниже критической температуры сверхпроводящего перехода, затем дополнительно осуществляется воздействие на болометр незатухающими электрическими колебаниями заданной амплитуды и частоты, чтобы за счет выделения некоторой доли тепла установить температуру болометра в непосредственной близости от границы сверхпроводящего перехода. По изменению омического сопротивления болометра определяется плотность мощности субмиллиметрового излучения, по которому и идентифицируется поток излучения. Чувствительность данного способа позволяет определять слабые электромагнитные потоки субмиллиметрового диапазона мощностей порядка величины . Высокая чувствительность детекторов на сверхпроводящем переходе (TES - transition edge sensors) доказывается результатами многочисленных экспериментов, статей и патентных работ. В частности, в патенте US8063369 используются нескольких связанных между собою детекторов на сверхпроводящем переходе, реализующих весьма высокую чувствительность болометра. Основное отличие этого прототипа от резонансного болометра, состоит в том, что используется постоянное по напряжению питание детекторов на сверхпроводящем переходе с возможным импульсным переключением от одного датчика к другому с целью повышения точности измерения. Постоянный параметр питания либо тока, либо напряжению существенно ограничивает эффективность отрицательной обратной связи, способствующей скорейшему охлаждению детектора на сверхпроводящем переходе. В настоящей работе предпринята попытка устранить этот недостаток: питание детектора на сверхпроводящем переходе предполагается периодическим как по току, так и по напряжению, что снимает жесткие условия на обратную связь, необходимую для эффективного охлаждения детектора. Эффективное использование резонансного контура в прикладных задачах точного измерения температуры доказывается рядом исследовательских работ. В частности, в патенте US6534767 чувствительным элементом резонансного контура является конденсатор или индуктор. Емкость или индуктивность зависят от температуры, что сказывается на изменении реактивного сопротивление. Изменение реактивного сопротивления влечет изменение резонансной частоты контура, что может быть отслежено с помощью системы автоподстройки частоты для идентификации температурных изменений. Основное отличие прототипа состоит в использовании детектора на ферромагнитных материалах, проявляющих желаемые качества лишь при сравнительно высоких температурах, что не обеспечивает высокой точности измерений из-за тепловых шумов. В качестве малошумного автогенератора высокочастотных колебаний терагерцового диапазона в резонансном болометре используется джозефсоновский контакт, параллельно с которым включен индуктивный элемент последовательного колебательного контура, обеспечивающий возможность считывания информации с помощью датчика на основе квантового магнитометра. Генератор на основе джозефсоновского контакта предназначен для работы в диапазоне сверхвысоких частот труднодостижимых другими методами. При пропускании через контакт постоянного тока, на контакте возникает падение напряжения, и контакт начинается излучать электромагнитные волны, локализованные в области контакта. В электрической цепи автогенератора возникает высокочастотный ток той же частоты, что и частота излучаемых электромагнитных волн. Резонансный контур, настроенный в резонанс с частотой автогенератора, обеспечивает максимальную нагрузку автогенератора, создавая условия для возникновения стабильных стационарных незатухающих колебаний терагерцовых частот. При выводе системы из равновесия, из-за поглощения внешнего импульса терагерцового электромагнитного излучения, происходит ее наискорейший возврат в исходное состояние за счет отрицательной обратной связи. Эффективное использование генератора терагерцового излучения в прикладных задачах точного измерения температуры доказывается рядом научных статей и патентных источников. В частности, в патенте US 8026487 описан сверхпроводящий перестраиваемый генератор когерентного терагерцового излучения, возникающего за счет резонансной связи между джозефсоновскими колебаниями и основной модой полостного резонатора, что приводит к синхронизации джозефсоновских переходов и мощному терагерцовому излучению. Теоретические исследования излучения волн терагерцового электромагнитного диапазона с использованием джозефсоновских контактов, встроенных в LCR резонансный контур, демонстрирует, в частности, актуальность применения метаматериалов для создания терагерцового автогенератора с эффективной обратной связью. Генератор джозефсоновского типа Представляет собой джозефсоновский контакт, обозначенный символом на рис. 1, через который проходит постоянный ток . Рис. 1. Джозефсоновский контакт. Если пренебречь эффектами тепловыделения, то уравнения джозефсоновской генерации таковы: (1) , . Здесь – напряжение на контакте; – джозефсоновская фаза; – критическое значение тока; – абсолютное значение заряда электрона; – константа Планка; и – соответственно, значения емкости и сопротивления контакта. Известно [1,2], что если ток через джозефсоновский контакт не превышает критического значения, т.е. , то генерация колебаний, если не принимать в расчет переходный процесс, отсутствует. При этом стационарное значение джозефсоновской фазы определяется уравнением . Генерация колебаний наступает тогда, когда ток через джозефсоновский контакт превышает критическое значение, т.е. . Очевидна весьма высокая чувствительность динамической системы к изменению величины тока в непосредственной окрестности критического значения . Генератор джозефсоновского типа, нагруженный параллельно последовательным колебательным RLC-контуром Представляет собой последовательный RLC-контур, параллельно подсоединенный к джозефсоновскому контакту . Система функционирует при приложении постоянного тока (рис. 2). l c r JJ DC Рис. 2. Джозефсоновский контакт, параллельно подсоединенный к последовательному RLC-контуру. Уравнения джозефсоновской генерации автоколебаний таковы: , , , (2) , , . Здесь – объем абсорбера тепловыделения резистивного элемента; – удельный коэффициент теплоемкости абсорбера; – коэффициент теплопроводности; – температура TES-элемента; – постоянная температура охлаждающего резервуара; – температура подогрева абсорбера вплоть до рабочей точки. Параметры сверхпроводящего контакта таковы: – объем абсорбера контакта; – удельный коэффициент теплоемкости абсорбера; – коэффициент теплопроводности; – температура контакта; и – соответственно, заряд и ток в контуре с типичными параметрами индуктивности , емкости и сопротивления , остальные обозначения прежние. Значение критического тока контакта в окрестности критической температуры определяется следующим образом [3–5]: ; , где – ширина энергетической цели сверхпроводника, как функция температуры ; – значение критической температуры перехода в сверхпроводящее состояние; – постоянная Больцмана. Чтобы получить явный вид зависимости критического тока от температуры необходимо решить достаточно непростое интегральное уравнение [3]. Однако, характер поведения этой зависимости весьма простой. Известно, что если , то , если же , то , т.е. контакт превращается в стандартное сопротивление постоянной величины . Температурные зависимости резистивного элемента, , и зависимость удельного коэффициента теплоемкости абсорбера, , представлены на рис. 4 и 5, соответственно. Рис. 3. Температурная зависимость резистивного элемента. Рис. 4. Температурная зависимость удельного коэффициента теплоемкости. Температурная зависимость удельного коэффициента теплоемкости приближенно дается выражением [4]: (3) , где определяется из условия (4) . Здесь - теплоемкость в окрестности сверхпроводящего перехода. Формула полностью аналогична (3-4). Приближенное аналитическое решение системы уравнений (2), когда болометр функционирует вхолостую и температурными изменениями можно пренебречь, имеет следующий вид: ; ; ; (5) , где – частота генерации колебаний в джозефсоновском контакте, амплитуды , и фазы , , которые определяются из следующей системы уравнений ; ; (6) ; . Это решение тем точнее, чем меньше по сравнению с . Предполагается, что частота генерации, , близка к собственной частоте колебательного контура , тогда решения системы (6) демонстрируют типичное поведение динамической системы в окрестности резонанса (Рис. 6, 7). Параметры численного расчета таковы: , , , , , , . Рис. 5. Фазовая характеристика системы (6) для параметров , в зависимости от изменения в окрестности резонанса, когда и сопротивление (Точки на графике соответствуют амплитуде . Ось безразмерных частот нормирована до единицы по отношению к резонансной частоте, безразмерная амплитуда нормирована величиной , а амплитуда - на величину ). Рис. 6. Амплитудная характеристика системы (6) для параметров , в зависимости от изменения в окрестности резонанса, когда и сопротивление (Точки на графике соответствуют амплитуде . Ось безразмерных частот нормирована до единицы по отношению к резонансной частоте, безразмерная амплитуда нормирована величиной , а амплитуда - на величину ). Рис. 7. Фазовая характеристика системы (6) для параметров , в зависимости от изменения в окрестности резонанса, когда , но сопротивление на два порядка выше, чем в примере, представленном на Рис. 5. Рис. 8. Амплитудная характеристика системы (6) для параметров , в зависимости от изменения в окрестности резонанса, когда , но сопротивление на два порядка выше, чем в примере, представленном на Рис. 6. Представленные результаты свидетельствуют о типичном поведении колебательной динамической системы (2) в окрестности резонанса. Резонансные свойства, существенно меняющие характер фазово-амплитудных зависимостей при малых вариациях частот и сопротивления в колебательном контуре, позволяют предложить модель весьма чувствительного датчика температуры. Но вначале рассматриваются осциллограммы процесса, доставляемые решением системой уравнений (2) при начальных условиях: ; ; ; ; . На рис. 9-12 представлена соответствующая реализация процесса, которая, в частности, подтверждает достаточную точность приближенного аналитического решения, доставляемого системой (5). В расчете использованы безразмерные переменные: ; ; ; ; . Конкретные параметры таковы: , , , , , , , , , , , , , , , . Эти данные взяты в качестве «среднестатистических», выбраны при обзоре различных печатных источников, приведенных в списке литературы, в стремлении опереться на уже достигнутый уровень технологий. Рис. 9. Напряжение в контакте. Рис. 10. Джозефсоновская фаза. Рис. 11. Колебания заряда в RLC-контуре. Рис. 12. Ток в RLC-контуре.

Похожие:

	Окб астрон Москва, ул. Большая Спасская 25, стр. 3, Ооо "Городисский и Партнеры", Емельянову Е. И		Окб астрон А, 13. 07. 1993. Us 6243036 B1, 05. 06. 2001. Ru 2133971 C1, 27. 07. 1999. Ru 2067759 C1, 10. 10. 1996. Wo 90/07130 A1, 28. 06. 1990....
	Окб астрон Заявленная полезная модель может быть использована в научных исследованиях, биологии, медицине и фармакологии, военном деле и безопасности,...		Окб астрон Кроме того простота и более низкая стоимость производства блока генерации позволяет снизить стоимость конечного устройства и его...
	Окб астрон Приемник (3) электромагнитных сигналов имеет устройство для извлечения частотных составляющих, характерных для живых организмов,...		Пояснительная записка рабочая программа разработана на основе примерной... Сайт мо РФ www mon gov ru., учебника «Технология»: 10-11 класс под редакцией В. Д. Симоненко, М. «Вентана Граф», 2009. Программы...
	Пояснительная записка На тему: «Проектирование информационных ресурсов... На тему: «Проектирование информационных ресурсов для европейского центра по качеству (на примере www eqc org ru )»		Www lawcanal Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
	«Челябинский государственный университет» Реклама: Как раскрутить и продвинуть сайт www sait		Задания Для предцикловой подготовки очно заочного цикла: «Судебно... Адрес: г. Тюмень, ул. Одесская, 46а, административный корпус окб, тел: 207-776, 205-793, e-mail: goutmk@ mail ru
	Www e Отделом корпоративного управления в январе-феврале 2012 года проведена следующая работа		Www lawcanal «Перепутанные логические цепочки», «Да-нет», «Верные – неверные утверждения», «Инсерт», «Ты-мне, я-тебе»
	Книга фгуп «Санкт-Петербургское окб «Электроавтоматика» Рассматриваются основные принципы построения перспективных бортовых цифровых вычислительных систем в авиационном приборостроении....		Экспериментальная Социальная Сеть www ntl cbm narod ru Математические методы и программные средства формирования социополитической системы
	Название модуля (тема урока) Год создания Всемирной информационной сети, что означает ее английская аббревиатура www		1. Общая характеристика вертолета стр Не лишним будет отметить, что именно в России был впервые разработан и осуществлен первый боевой одноместный ударный вертолет, со...