Спосіб вимірювання спектрального розподілу інтенсивності електромагнітного випромінювання

1. Спосіб вимірювання спектрального розподілу інтенсивності електромагнітного випромінювання з використанням приймача випромінювання на основі надпровідного переходу Джозефсона, що передбачає реєстрацію відгуку переходу Джозефсона на випромінювання як функції напруги на ньому й обробку обмірюваної залежності, який відрізняє ться тим, що на перехід Джозефсона подають монохроматичний сигнал і реєструють певний параметр селективного відгуку переходу, на перехід додатково подають досліджуваний сиг 35927 в досліджуваному спектрі, при якій співвідношення сигнал/шум зменшується до одиниці, і застосуванням до зареєстрованого відгуку перетворення Гільберта для відновлення спектра сигналу: Δ V (wJ ) ¥ 1 +¥ S I (w )dw , ò p -¥ w - wJ напруг на переході, що відповідають його екстремумам, або його максимальну крутизну. Нові ознаки, які має технічне рішення за винаходом, забезпечують відповідність даного способу критерію "новизна". Ці ознаки дозволяють одержати технічний результат - забезпечити селективне вимірювання спектральної щільності електромагнітного випромінювання на фіксованих частотах і відтворення за результатами цих вимірювань спектрального розподілу випромінювання, що пояснюється в такий спосіб. Дійсно, ширина лінії генерації переходу Джозефсона, що є одним із параметрів приймача, зв'язана з його конструктивними параметрами співвідношенням [4]: (1) де: w - частота сигналу; w J - частота джозефсо нівської генерації; SI (w ) - спектральна щільність флуктуацій струму через перехід Джозефсона. Недоліком цього способу є те, що через вибір за вихідний параметр приймача його інтегрального відгук у на сигнал у всьому робочому діапазоні частот він не придатний для вимірювання спектра широкосмугових сигналів, наприклад, радіотеплових. Дійсно, у цьому способі, по суті, використовується ефект синхронізації частоти генерації переходу Джозефсона досліджуваним випромінюванням. Як випливає з формули (1), сумарний відгук на тепловий шум із "білим" спектром ( SI (w) = const ) дорівнює нулю. Це приводить до неможливості аналізу сигналів, ширина спектра котрих значно більша за ширину лінії власної генерації переходу, що має місце у випадку радіотеплових випромінювань. В основу запропонованого винаходу поставлене завдання удосконалити спосіб вимірювання спектрального розподілу інтенсивності електромагнітного випромінювання з використанням приймача випромінювання на основі надпровідного переходу Джозефсона, у якому використання зміни одного з параметрів приймача під впливом досліджуваного випромінювання, а також алгоритму вимірювання цієї зміни дозволяє одержати наступний технічний результат, а саме - забезпечити селективне вимірювання спектральної щільності електромагнітного випромінювання, у тому числі радіотеплового, на фіксованих частотах. При цьому реалізується висока розподільна здатність по частоті і чутливість у широкому діапазоні частот. Зазначений технічний результат досягається за рахунок того, що в запропонованому способі вимірювання спектрального розподілу інтенсивності електромагнітного випромінювання з використанням приймача випромінювання на основі надпровідного переходу Джозефсона, що передбачає реєстрацію відгуку переходу Джозефсона на випромінювання як функції напруги на ньому й обробку отриманої залежності, відповідно до винаходу, на перехід Джозефсона подають монохроматичний сигнал і реєструють певний параметр селективного відгуку переходу на нього. Потім на перехід додатково подають досліджуване випромінювання і повторно реєструють зазначений параметр селективного відгуку. За зміною параметра селективного відгуку розраховують спектральну щільність досліджуваного випромінювання на частоті монохроматичного сигналу. Змінюють частоту монохроматичного сигналу з необхідним кроком і повторюють зазначені дії. Спектральний розподіл інтенсивності випромінювання в досліджуваному діапазоні частот відтворюють за результатами вимірювань спектральної щільності випромінювання на фіксованих частотах діапазону. При цьому як реєстрований параметр селективного відгуку використовують або його амплітуду, або різницю 2 æ 2е ö Г1 = p ç ÷ SV (0) = è h ø 2 æ ö æ 2e ö I2 = pç ÷ R 2 ç SI (0) + c2 SI (wJ )÷, (2) dç ÷ è h ø 2I è ø де: Г 1 - напівширина лінії джозефсонівської генерації; SV (0) - спектральна щільність низькочастотних флуктуацій напруги на переході Джозефсона; R d - диференціальний опір переходу Джозефсона у робочій точці; SI (0) - спектральна щільність власних низькочастотних флуктуацій струму через перехід Джозефсона; SI (wJ ) - спектральна щільність флуктуацій струм у через перехід Джозефсона в області частоти джозефсонівської генерації. Селективний відгук переходу Джозефсона на монохроматичний сигнал описується виразом [5]: Δn 1 d resp = = × , (3) 2 2 2 a 8n d + g 2 де: d = (Ω - Ω J ) Ωc - відхилення частоти діючого сигналу відносно частоти власної генерації, нормоване відносно характерної частоти переходу Джозефсона Ω c ; a = A I c - амплітуда зовнішнього впливу, нормована відносно величини критичного струму переходу Джозефсона; g = If 2Ic - нормована величина флуктуацій струму через перехід Джозефсона; n = V Vc - величина напруги в робочій точці, нормована відносно величини характерної напруги переходу Джозефсона. Напівширина лінії джозефсонівської генерації Г 1 у формулі (2) і параметр g у формулі (3) зв'язані співвідношенням [4]: Г æ 2е ö g = 1 = Г1 ç I C R N ÷ , (4) wC h è ø де: w C - характерна частота; IC - критичний струм; R N - нормальний опір переходу Джозефсона. Джозефсонівські переходи як квантові вимірювальні прилади мають унікальну здатність вимірювати квантові флуктуації об'єкта, не вносячи істотних додаткових флуктуацій. Як випливає з формули (2), у низькочастотні флуктуації напруги на переході дають внесок не тільки флуктуації струму на низькій частоті, але і флуктуації на частотах в області джозефсонівської генерації w J . Причому у ширину лінії генерації дають внесок тільки ті ком 2 35927 поненти спектра високочастотних напруг, частота яких знаходиться в смузі частот порядку w J ±Г 1. Це зв'язано з особливим характером нелінійності переходу: вона, з одного боку, є реактивною, а з іншого - через своє від'ємне значення допускає перетворення частоти вниз з ефективністю, близькою до одиниці. Таким чином, зміна ширини лінії генерації переходу відбувається тільки під дією флуктуацій, спектр яких обмежений шириною лінії генерації переходу, що і забезпечує селективність вимірювань спектральної щільності випромінювання, а зміна параметрів селективного відгуку переходу на монохроматичний сигнал під впливом досліджуваного випромінювання дозволяє виявити цю зміну ширини лінії генерації. Роздільна реєстрація селективних відгуків на монохроматичний сигнал під впливом досліджуваного випромінювання та при його відсутності дозволяє визначити спектральну щільність вимірюваного випромінювання у смузі w M ±Г 1, де w M частота монохроматичного сигналу. По зміні одного з параметрів селективного відгуку (різниці напруг на переході, що відповідають його екстремумам, його амплітуди або його максимальної крутизни з врахуванням конструктивних параметрів переходу і коефіцієнта передачі електродинамічного пристрою зв'язку його з джерелом випромінювання на цій частоті можна визначити спектральну щільність випромінювання на частоті монохроматичного сигналу. З аналізу формул (3), (4) випливає, що різниця напруг, які відповідають екстремумам селективного відгук у, пропорційна ширині лінії генерації переходу Г 1, амплітуда відгуку пропорційна 1/Г 1, а мак шуму, наприклад, ГШ-6, і повторно реєструють амплітуду А2 (фіг. 1) селективного відгуку. За зміною амплітуди селективного відгуку з врахуванням конструктивних параметрів переходу і коефіцієнта передачі електродинамічного пристрою зв'язку переходу Джозефсона з джерелом випромінювання на цій частоті з використанням наведених співвідношень розраховують спектральну щільність досліджуваного випромінювання на частоті монохроматичного сигналу. Частоту монохроматичного сигналу змінюють із необхідним кроком і повторюють процедуру вимірювання. За результатами вимірювання щільності випромінювання на фіксованих частота х діапазону відтворюють спектральний розподіл інтенсивності досліджуваного випромінювання в діапазоні частот вимірювання. При використанні як реєстрованого параметра різниці напруг на переході (фіг. 1), що відповідають екстремумам відгуку, можна забезпечити незалежність результату вимірювання від короткочасної нестабільності потужності монохроматичного сигналу, тому що ширина селективного відгуку не залежить від амплітуди монохроматичного сигналу. При використанні як реєстрованого параметра крутизни (фіг. 2) селективного відгуку можна забезпечити більш високу чутливість вимірювань, 2 тому що крутизна відгук у пропорційна 1 Г1 . Таким чином, застосування запропонованого способу вимірювання радіотеплових випромінювань за допомогою приймача на основі квантового перетворювача - надпровідного переходу Джозефсона - шляхом аналізу зміни його параметру (ширини лінії генерації) під впливом флуктуацій вимірюваного радіотеплового сигналу, а також використання селективного відгуку переходу на монохроматичний сигнал, що задає частоту аналізу для визначення цієї ширини смуги генерації переходу при зміні частоти сигналу в досліджуваному діапазоні частот, дозволяє забезпечити вимірювання розподілу спектральної щільності радіотеплових сигналів, зберігши при цьому чутливість і точність вимірювань, властиві прототипу. Джерела інформації 1. Техника спектроскопии в дальней инфракрасной, субмиллиметровой и миллиметровой областях спектра. - М.: Мир, 1970. 2. E. Austin, R.P. Ellis, J.L. Doane, R.A. James. Improved operation of the Michelson interferometer electron cyclotron emission diagnostic on DIII-D // Rev. Sci. Instrum., 1997, v. 68, № 1, р. 480-483. 3. Авторское свидетельство СССР № 881538 Кл.3 G01J3/28, 1981. Дивин Ю.Я, Полянский С.Ю., Шульман А.Я. Ордена Трудового Красного Знамени институт радиотехники и электроники АН СССР. 4. Лихарев К.К. Введение в динамику джозефсоновских переходов. - М.: Наука, 1985. 5. Kanter H., Vernon F. High-frequency response of Josephson point contact // 3. Аррl. Рhys., 1972, № 7, р. 3174-3183. 2 симальна крутизна його пропорційна 1 Г1 . Для підтвердження можливості здійснення винаходу додаються ілюстрації, де: на фіг. 1 подана форма селективного відгуку переходу Джозефсона на монохроматичний сигнал при відсутності досліджуваного радіотеплового випромінювання (1) і при їх спільній дії (2); на фіг. 2 подана форма першої похідної (крутизни) селективного відгуку переходу Джозефсона на монохроматичний сигнал при відсутності досліджуваного радіотеплового випромінювання (1) і при їх спільній дії (2). Приклад. Монохроматичний сигнал від стандартного НВЧ генератора, наприклад, Г4-156, спрямовують на приймач випромінювання на основі торцевого надпровідного переходу Джозефсона Nb- a -Si-Nb. Перехід охолоджується до робочої температури рідкого гелію при нормальному атмосферному тиску за допомогою кріогенного пристрою. Напругу на переході змінюють від нуля до напруги, що відповідає верхній границі діапазону вимірювання. У процесі зміни напруги на переході реєструють у пам'яті процесора цифрової обробки амплітуду А1 (фіг. 1) селективного відгуку приймача випромінювання на монохроматичний сигнал. Потім на приймач випромінювання додатково спрямовують досліджуване електромагнітне випромінювання від газорозрядного генератора 3 35927 Фіг. 1 Фіг. 2 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 4