Экспериментальная установка и методика исследования полосы преобразования смесителей в магнитном поле и коэффициента диффузии электронов в пленках сверхпроводников

Для создания магнитного поля использовался сверхпроводящий соленоид для транспортного сосуда Дьюара. Питание соленоида осуществлялось источником постоянного тока до 60 А. Миллиметровое излучение передается на смеситель при помощи лучевода, выполненного в виде сверхразмерного волновода круглого сечения. Для уменьшения теплопритока к смесителю лучевод изготавливается из нержавеющей стали и поэтому вносит потери при распространении радиоволн. Для исследований отклика смесителя в магнитном поле была выбрана частота гетеродина 140 ГГц из-за достаточно малых потерь при распространении вдоль лучевода, а также из-за простоты изготовления различных СВЧ-деталей для этого диапазона частот. Однако наиболее существенным фактором, определяющим частоту гетеродина, является размер центральной части спиральной антенны, в которую вписан сверхпроводящий мостик.

Лучевод с образцом помещаются в вакуумный чехол, для того чтобы уменьшить влияние на температуру смесителя температурных флуктуаций жидкого гелия в транспортном сосуде из-за изменений давления в системе сбора газообразного гелия. Для охлаждения образца в чехол после откачки атмосферы напускается небольшое количество газообразного гелия, так что тепловая связь с окружающим жидким гелием достаточна, чтобы охладить образец до температуры, близкой к гелиевой, но при этом можно проводить измерения при температурах образца выше гелиевой. Изменение температуры смесителя осуществлялось посредством нагревателя, выполненного в виде тонкой константановой проволоки, конструкция нагревателя обеспечивает равномерный нагрев площадки для крепления образца. В непосредственной близости от смесителя располагался термометр. Эта конструкция позволяет плавно менять температуру смесителя в диапазоне 4,3-20 К.

Для достижения температур ниже гелиевой используется специальная откачная вставка, стенка которой состоит из двух концентрических тонкостенных трубок из нержавеющей стали. Пространство между трубками откачано до высокого вакуума, что позволяет теплоизолировать внутреннее пространство вставки. В нижнем торце вставки расположен тонкий капилляр, через который во внутренний объем вставки поступает жидкий гелий. Вставка помещается в транспортный гелиевый сосуд Дьюара так, чтобы капилляр находился ниже уровня жидкого гелия. Во внутренний объем вставки помещается лучевод из нержавеющей стали с укрепленной на нем площадкой для образца и термометра. Лучевод герметично соединяется с внешней стенкой вставки. После заполнения внутреннего объема жидким гелием, за счет откачки паров гелия во внутреннем объеме, можно плавно регулировать температуру смесителя в диапазоне 1,8-4,2 К. На рис. 8 представлена схема экспериментальной установки для измерения полосы преобразования смесителей в магнитном поле.

термометра

Рис. 8. Экспериментальная установка для исследования зависимости полосы преобразования NbTiN-смесителей от температуры в магнитном поле

Поскольку измерения в магнитном поле преследуют своей целью исследование процесса энергетической релаксации и определение постоянных времени различных стадий этого процесса, то необходимо так подбирать конфигурацию мостика и условия измерений, чтобы один из механизмов релаксации доминировал над всеми остальными. Вообще, в сверхпроводящем смесителе на эффекте электронного разогрева возможны два типа энергетической релаксации - посредством электрон-фононного взаимодействия с последующим уходом неравновесных фононов в подложку и за счет диффузии горячих электронов в массивные, по сравнению с активным участком сверхпроводниковой пленки, холодные контакты. Эти процессы являются независимыми, так что общее время релаксации определяется формулой [68]

^Tbol ^{= T}e-ph ⁺

где т_е__р1, - постоянная времени для процессов электрон-фононного взаимодействия и дальнейшего ухода неравновесных фононов в подложку, ~ постоянная времени, характеризующая процесс диффузии разогретых электронов в контакты. Исследование зависимости от длины мостика в рамках настоящей работы не проводилось. Решаемая в работе задача -определение коэффициента диффузии горячих электронов и исследование возможности диффузионного охлаждения смесителя на эффекте электронного разогрева. Основной целью экспериментальных исследований в магнитном поле при малых мощностях гетеродина и сигнала было экспериментальное определение скорости энергетической релаксации горячих электронов за счет фононного канала охлаждения. Поэтому длина мостика выбирается достаточно большой (1 мкм), чтобы исключить влияние диффузии горячих электронов на полосу преобразования смесителя. Ширина мостика выбирается с таким расчетом, чтобы сопротивление смесителя в нормальном состоянии было максимально близко к волновому сопротивлению тракта промежуточной частоты, равному 50 Ом. Учитывая, что типичное сопротивление NbTiN-пленки толщиной 3-4 нм составляет 600 Ом на квадрат, ширина мостика должна быть примерно в десять раз больше длины. Последнее дает ограничение на внутренний размер антенны и на верхнюю границу частот принимаемого излучения.

Чтобы найти время электрон-фопоиного взаимодействия и время ухода неравновесных фононов в подложку, была исследована зависимость времени релаксации электронной температуры от толщины пленки сверхпроводника и от физической температуры образца. Как известно из предыдущих работ (см., например, [57]), для достаточно толстых пленок время релаксации должно практически полностью определяться временем ухода неравновесных фононов в подложку, что выражается в линейной зависимости постоянной времени болометра от толщины. В пленках наименьшей толщины при достаточно малых температурах время электрон-фононного взаимодействия может стать значительно больше времени ухода неравновесных фононов в подложку, что выражается в степенной зависимости постоянной времени болометра от температуры.

Отклик на промежуточной частоте значителен лишь в области сверхпроводящего перехода и при температурах выше или ниже критической резко падает до уровня шумов смесителя. Измерения при температурах ниже критической осуществляются при воздействии второго критического магнитного поля, которое понижает температуру сверхпроводящего перехода. Зависимость второго критического поля NbTiN-пленок от температуры для определения коэффициента диффузии электронов исследовалась также при помощи этой вставки. Исследования зависимости выходного сигнала от промежуточной частоты для определения полосы преобразования смесителя проводились на автоматизированной экспериментальной установке, подобной описанной в предыдущем параграфе, причем в качестве гетеродинного и сигнального источника использовались генераторы Г4-161 на основе ЛОВ миллиметрового диапазона.