Сверхпроводниковый приемник теплового излучения

иемник умка", видете 757/181978 отмМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЪТИЙ 54)(57) СВЕРХПРОВОДНИКОВЙ ПРИЕМНИ ЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий чувс ительный элемент из сверхпроводяще пленки с приемной поглощающей площа ой, нанесенные на теплоизолирующую диэлектрическую подложку, закрепную на теплоотводящем блоке, о т -л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения быстродействия приемника и обеспечения в нем режима накопления, он дополнительно снабжен источником поперечного для чувствительногоэлемента магнитного поля, чувствительный элемент выполнен в виде двух параллельных и изолированных одна отдругой полос иэ сверхпроводниковогоматериала второго рода, первая полоса размещена над отверстием в теплоотводящем блоке, образуя центральнойчастью приемную площадку, а продолжением длинных сторон - шину считыванияс потенциальными контактами, причемна второй полосе выполнен выступ, расположенный напротив приемной площадкии над частью ее поверхности.1 80 У 93Йзо 8 ретение относится к криоэлектронике,Широко известны сверхпроводящиеприемники тепловОго излучения - болометры, обладающие высокой чувствительностью в широкой диапазоне длинволн и малыми тепловыми шумами, включающие в себя приемную площадку поглощающую падающее излучение, и чувствительный элемент,выполиенныйв виде .10узкой пленки сверхпроводника первогорода, нанесенной на стеклянную подложку, края которой лежат на массивном медном основании - теплостоке, Сверхпроводящая пленка играет роль чувствительного элемента, в котором изменение температуры пленки под действиемтеплового излучения регистрируетсяблагодаря использованию, большой крутизны температурной зависимости элек трнческого сопротивления сверхпроводника Я .Известна также конструкция болометра, в которой чувствительный элемент выполнен в виде оловянной пленки, нанесенной на слюдяную подложку 2,Подложка с пленкой подвешиваетсяна нейлоновых растяжках к основанию-.теплостоку из латуни, чем достигается малая теплопроводность от чувст"вительного элемента к теплостоку.Общим недостатком известных конструкций сверхпроводниковых боло- .метров является обратно пропорциональная связь между чувствительнослтью 5 и постоянной времени, которая выражается следующим образом4061 38 сб= --ь= -дт .61где Е- коэффициент поглощения излучения; 45- рабочий ток через чувствительный элемент;3- крутизна изменения сопротивления в области сверхпроводящего перехода; 50Й - теплопроводность от болометра к теплостоку;С - теплоемкость.Таким образом, из приведенных выражений видно, что повышение чувствительности за счет снижения теплопроводности 6 неизбежно ведет к увеличению постоянной времени о . Поэтому 8 2повышение одновременно обоих указанных параметров в;известных конструкциях сверхпроводящих болометров возможно лишь при одновременном уменьшении теплоемкости и теплопроводности,Наиболее близким по техническойсущности к изобретению являетсясверхпроводниковый приемник теплового излучения, содержащий чувствительный элемент из сверхпроводящей пленки с приемной поглощающей площадкой,нанесенные на теплоизолирующую диэлектрическую подложку, закрепленнуюна теплоотводящем блоке 31 .Чувствительный элемент сформирован из группы идентичных приемныхплощадок, выполненных в форме меандра и изолированных друг от друга.Поглощающий слой расположен поверхкаждого меандра и изолирован от последнего пленкой диэлектрика.Несмотря на высокое значение параметров упомянутого сверхпроводящегоболометра, ему присущи два существенных недостатка:невозможность использования болометра в режиме накопления, что ограничивает возможность улучшения динамических характеристик;невозможность управления процессом отвода тепла от чувствительногоэлемента, что не позволяет повыситьбыстродействие 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 шину938 4 3 807 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 сверх проводника 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 О го потока проникает в сверхпроводник через нормальные области, причем величина магнитного потока, проходящего через каждую нормальную область, квантуется и имеет постоянное значение, равное 2.0710 1 Вб. Количество квантов магнитного потока определяется величиной суммарного магнитного потока, проходящего через сверхпроводниковую 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 сверхпровод 35 ника из сверхпроводящего состояния в смешанноеТаким образом, изменение температуры пленки под действием теплового излучения приводит к резкому40 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 5 О течению тока по поверхности сверх- проводника 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 подложке1, 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 сверх- проводника 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 идентичными 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 связи возможен переход квантов магнитного потока с одной сверхпроводниковой пленки на другую под действием силы Лоренца. Работа прибора осуществляетсяследующим образом.Постоянное внешнее магнитное полеподдерживает область приемной площадки 4 в состоянии, близком к критическому. Под действием излучения повышается температура приемной площадки4, в результате чего часть внешнегомагнитного потока проникает в сверхпроводник в области приемной площадкис поглощением тепла и распределитсяв нем в виде пакета квантов магнитногопотока, Информация о тепловом потоке,накопленная в виде количества квантов,пропорционального тепловому потоку,считывается в виде напряжения на 15контактных площадках 7 при пропускании считывающего тока (3 ц) через шину 6, в результате чего кванты магнитного потока будут двигаться поддействием силы Лоренца перпендикулярно направлению тока 3 с в направлении к шине 8. Благодаря магнитнойсвязи между элементами 4 и 8 черездиэлектрик 9, кванты проходят безпотерь через область перекрытия 25двух сверхпроводниковых пленок,Длительность импульса считывающего тока 3 с через шину 6 определяется тем, что пакет, квантов во времядействия импульса должен полностьюпередвинуться в шину 8 через область перекрытия двух сверхпроводящих пленок. Одновременно с импульсом считывания 3 сц через шину 8 пропускается импульс тока сброса 3 одинаково направленный с импульсом 1 ц, обеспечивающий дальнейшее продвижение пакета квантов по выступу шины кпротивоположному ее краю, где кванты аннигилируют, выделяя тепло, которое отводится через массивную часть подложки 1, благодаря ее связи с тепло- отводящим блоком,В предлагаемом приемнике теплового излучения процесс теплоотвода от приемной площадки является управляемым, поскольку большая часть поглощающего теПла 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, новы- сить быстродействие./2 Тираж ВНИИПИ Государстпо делам изобр 3035, Москва, Ж 679венногетений35, Ра Подписноомитета СССРоткрытийкая наб., д.4/5