Генераторы релаксационных колебаний на сверхпроводниках
Рассмотрены генераторы релаксационных колебаний (ГРК), в которых в качестве активных элементов используются плёночные и проволочные сверхпроводники, туннельные переходы джозефсона, наномостики, ПТ-СКВИДЫ, криотроны. Обобщены результаты исследований и представлены сравнительные характеристики ГРК, по...
Gespeichert in:
| Datum: | 2007 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2007
|
| Schriftenreihe: | Вопросы атомной науки и техники |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/110725 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Генераторы релаксационных колебаний на сверхпроводниках / В.А. Рахубовский // Вопросы атомной науки и техники. — 2007. — № 4. — С. 75-78. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-110725 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1107252017-01-07T03:02:46Z Генераторы релаксационных колебаний на сверхпроводниках Рахубовский, В.А. Сверхпроводимость и сверхпроводящие материалы Рассмотрены генераторы релаксационных колебаний (ГРК), в которых в качестве активных элементов используются плёночные и проволочные сверхпроводники, туннельные переходы джозефсона, наномостики, ПТ-СКВИДЫ, криотроны. Обобщены результаты исследований и представлены сравнительные характеристики ГРК, построенных из различных сверхпроводящих материалов. Отмечены возможности использования ГРК в качестве измерительных устройств в исследованиях при низких температурах. Розглянуті генератори релаксаційних коливань (ГРК), в яких в якості активних елементів використовуються плівкові та проволочні надпровідники, тунельні переходи джозефсона, наномостки, ПТ-СКВІДИ, кріотрони. Узагальнені результати досліджень та представлені порівнювальні характеристики ГРК, побудованих з різних надпровідних матеріалів. Відмічені можливості використання ГРК в якості вимірювальних приладів в дослідженнях при низьких температурах. Relaxation oscillations generators (ROG) that use the film – type and wire – type superconductors, Josephson tunneling junctions, nanobridges, DS – SQUIDs, cryotrons as active elements have been considered. The results of research have been summarized and comparison characteristics of ROGs manufactured from different superconducting materials have been given. The opportunities for using ROGs as measuring devices for low temperature investigations have been pointed out. 2007 Article Генераторы релаксационных колебаний на сверхпроводниках / В.А. Рахубовский // Вопросы атомной науки и техники. — 2007. — № 4. — С. 75-78. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/110725 621.376.23 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Сверхпроводимость и сверхпроводящие материалы Сверхпроводимость и сверхпроводящие материалы |
| spellingShingle |
Сверхпроводимость и сверхпроводящие материалы Сверхпроводимость и сверхпроводящие материалы Рахубовский, В.А. Генераторы релаксационных колебаний на сверхпроводниках Вопросы атомной науки и техники |
| description |
Рассмотрены генераторы релаксационных колебаний (ГРК), в которых в качестве активных элементов используются плёночные и проволочные сверхпроводники, туннельные переходы джозефсона, наномостики, ПТ-СКВИДЫ, криотроны. Обобщены результаты исследований и представлены сравнительные характеристики ГРК, построенных из различных сверхпроводящих материалов. Отмечены возможности использования ГРК в качестве измерительных устройств в исследованиях при низких температурах. |
| format |
Article |
| author |
Рахубовский, В.А. |
| author_facet |
Рахубовский, В.А. |
| author_sort |
Рахубовский, В.А. |
| title |
Генераторы релаксационных колебаний на сверхпроводниках |
| title_short |
Генераторы релаксационных колебаний на сверхпроводниках |
| title_full |
Генераторы релаксационных колебаний на сверхпроводниках |
| title_fullStr |
Генераторы релаксационных колебаний на сверхпроводниках |
| title_full_unstemmed |
Генераторы релаксационных колебаний на сверхпроводниках |
| title_sort |
генераторы релаксационных колебаний на сверхпроводниках |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| publishDate |
2007 |
| topic_facet |
Сверхпроводимость и сверхпроводящие материалы |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/110725 |
| citation_txt |
Генераторы релаксационных колебаний на сверхпроводниках / В.А. Рахубовский // Вопросы атомной науки и техники. — 2007. — № 4. — С. 75-78. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
| series |
Вопросы атомной науки и техники |
| work_keys_str_mv |
AT rahubovskijva generatoryrelaksacionnyhkolebanijnasverhprovodnikah |
| first_indexed |
2025-07-08T01:02:33Z |
| last_indexed |
2025-07-08T01:02:33Z |
| _version_ |
1837038624813613056 |
| fulltext |
УДК 621.376.23
ГЕНЕРАТОРЫ РЕЛАКСАЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ
НА СВЕРХПРОВОДНИКАХ
В.А.Рахубовский
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»,
г. Харьков, Украина
Рассмотрены генераторы релаксационных колебаний (ГРК), в которых в качестве активных элементов
используются плёночные и проволочные сверхпроводники, туннельные переходы джозефсона, наномости-
ки, ПТ-СКВИДЫ, криотроны. Обобщены результаты исследований и представлены сравнительные характе-
ристики ГРК, построенных из различных сверхпроводящих материалов. Отмечены возможности использо-
вания ГРК в качестве измерительных устройств в исследованиях при низких температурах.
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что вольт-амперные характеристики
(ВАХ) сверхпроводника при переходе его из сверх-
проводящего состояния в резистивное состояние и
обратно являются гистерезисными. Используя эту
особенность ВАХ сверхпроводника, были созданы
генераторы релаксационных колебаний (ГРК) [1-3].
ГРК состоит из активного элемента (АЭ), к которо-
му подключена параллельно или последовательно
внешняя RL-цепь. АЭ переключается из сверхпрово-
дящего состояния в резистивное и обратно под дей-
ствием тока, протекающего через него. В таком ГРК
в качестве АЭ используется плёночный или прово-
лочный сверхпроводник, туннельный переход джо-
зефсона (ТПД), наномостик, ПТ-СКВИД. Сверхпро-
водник может также переключаться из сверхпрово-
дящего состояния в резистивное и обратно под дей-
ствием суммарного магнитного поля, создаваемого
током, протекающим в управляющей цепи сверх-
проводника, и током, протекающим непосредствен-
но через этот сверхпроводник. В этом случае в каче-
стве АЭ используется криотрон (плёночный, прово-
лочный) [4-5]. ГРК представляет собой цепочку из
последовательно соединенных криотронных каска-
дов, охваченных обратной связью.
1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
И СХЕМЫ ГРК
Принцип действия ГРК основывается на релакса-
ционном процессе, имеющем место при переходе
сверхпроводника из сверхпроводящего состояния в
резистивное и обратно. Известны следующие схем-
ные решения ГРК на сверхпроводниках: параллель-
ная и последовательная схемы, кольцевые схемы на
криотронах.
На рис. 1 приведена параллельная схема ГРК, в
котором в качестве АЭ используется сверхпровод-
ник 1. ГРК запитывается от источника постоянного
тока In . При подаче In на вход схемы ток раз-
ветвляется в ветвях I и II обратно пропорциональ-
но их индуктивностям. Так как индуктивность ветви
I , содержащей сверхпроводник, много меньше ин-
дуктивности ветви, содержащей RL-цепь, то In
практически весь начинает протекать в ветви I .
Рис. 1. Принципиальная параллельная схема
ГРК: 1 – сверхпроводник; 2 - RL-цепь
Рис. 2. Гистерезисная ВАХ сверхпроводника
При достижении в ветви I значения 2I (см.
рис. 2) сверхпроводник резко переключается из
сверхпроводящего состояния в резистивное, и In
перебрасывается в RL-цепь. При уменьшении тока в
ветви I до значения 1I сверхпроводник переходит
вновь в сверхпроводящее состояние, и ток из ветви
II перебрасывается в ветвь I . Далее процесс повто-
ряется. Частота ГРК определяется из уравнения:
1
1
2
ln
In IRF
L In I
−
−
= ⋅ −
, (1)
где ,R L - соответственно сопротивление и индук-
тивность RL-цепи; 1I , 2I - минимальный и макси-
мальный критический ток сверхпроводника.
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2007. № 4.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (16), с.75 - 78.
75
Анализ показывает, что колебания существуют
при изменении In в диапазоне:
2 11 NR
I In I
R
< < + ⋅
, (2)
где NR - сопротивление сверхпроводника в точке 1
на ВАХ (см. рис. 2).
Рис. 3. Частотно-токовые характеристики ГРК:
1 – Т=4,2 К; 2 – Т=40 К; 3 – Т=50 К
На рис. 3 приведена зависимость ( ) TF f In=
для ГРК, в котором в качестве АЭ используется
плёнка из сверхпроводника YBaCuO [3].
Рис. 4. Принципиальная последовательная схема ГРК:
1 - RL-цепь; 2 – ТПД, представленный эквивалент-
ной схемой
На рис. 4 приведена последовательная схема
ГРК, в котором в качестве АЭ используется ТПД.
ГРК запитывается от источника постоянного напря-
жения Un .
Как видно из рис. 4 и 5, ТПД представляет со-
бой: короткозамкнутую цепь, когда находится в
сверхпроводящем состоянии 1 (при этом через ТПД
протекает ток квазичастиц, и напряжение на перехо-
де равно нулю); батарею с напряжением Ug , когда
находится в состоянии 3 (при этом через ТПД про-
текает ток нормальных электронов, и напряжение на
переходе равно Ug ); ёмкость C в фазах переключе-
ний 2 и 4. При подаче Un на вход схемы ток нарас-
тает с постоянной времени n
L
R
τ = , и при достиже-
нии током значения Ic напряжение на ТПД устанав-
ливается скачком постоянной величины Ug . ТПД
переключается из состояния 1 в состояние 3. При
этом ёмкость C заряжается до напряжения Ug . За-
тем ток через ТПД уменьшается с постоянной вре-
мени nτ , пока не достигнет нулевого значения. ТПД
переключается из состояния 3 в состояние 1 за счет
разряда ёмкости C через RL-цепь. Далее процесс
повторяется. Частота ГРК определяется из уравне-
ния:
( ) 1
1 / 1
ln
1 /
A xRF
L A x
−
+ −
= ⋅ −
, (3)
где
RIcA
Ug
= ;
Unx
Ug
= ; cI - критический ток ТПД;
Ug - напряжение энергетической щели.
Рис. 5. Гистерезисная ВАХ ТПД
В ряде случаев на гистерезисной ВАХ ТПД
возникает область отрицательного дифференци-
ального сопротивления (ОДС) [6,7], приводящая
к возможности быстрых переключений системы
между двумя квазистационарными состояниями
и установлению устойчивых релаксационных ко-
лебаний.
ГРК на криотронах (рис. 6) представляет со-
бой кольцевую схему, состоящую из трёх иден-
тичных криотронных каскадов ( I III− ), со-
единённых таким образом, что выход одного кас-
када подключается ко входу следующего каска-
да, а выход последнего каскада подключается ко
входу первого со 180о сдвигом по фазе. ГРК
запитывается от источника постоянного тока In .
При подаче на вход схемы In по ней пробегает
волна переброса токов в ветвях каскадов, в ре-
зультате чего на выходе ГРК возникают колеба-
ния. Частота ГРК определяется из уравнения:
[ ] 1ln
4
RF B
nL
−= ⋅ , (4)
где L
R
- постоянная времени криотрона;
n - число каскадов ГРК; B - величина, определяе-
мая In и параметрами криотрона [4,8]. Колебания
существуют при изменении In в диапазоне:
2,84ky kyI In I< < , где kyI - критический управляю-
щий ток криотрона.
На рис. 7 приведена зависимость ( ) InF f T=
для трехкаскадного ГРК, построенного из проволоч-
ных свинцово-оловянных криотронов [5]
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2007. № 4.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (16), с.75 - 78.
76
Параметры 1 2 3 4
ЧД , Гц (77…212) ⋅ 103 250…740 (107…810) ⋅ 103 (2…60) ⋅ 106
IД , А 0,92…1,52 1,28…3,25 0,3…0,91 (1,5…10) ⋅ 10-3
IS , Гц/А 2,4 ⋅ 105 5,33 ⋅ 102 1,03 ⋅ 106 1,07 ⋅ 1010
TS , Гц/К - - 3,7 ⋅ 104 2 ⋅ 107
pT , К 4,2 4,2 40 9,5
Источник [1] * [3] [9]
Параметры 5 6 7
ЧД , Гц (0,05…1) ⋅ 103 (10…130) ⋅ 103 (0,05…4) ⋅ 103
IД , А (12…56) ⋅ 10-6 0,8…1,23 0,14…0,27
IS , Гц/А 5,43 ⋅ 107 4,2 ⋅ 105 2,7 ⋅ 104
TS , Гц/К - 9,3 ⋅ 105 8 ⋅ 104
pT , К 4,2 3,65 3,62
Источник [7] [4] [10]
1-5 ГРК, построенные по параллельной схеме; 6-7 ГРК, построенные на базе криотронов; ЧД - диапазон ча-
стот; IД - диапазон изменения тока питания; IS = ( / )TF In∂ ∂ - чувствительность к току питания; TS =
( / )InF T∂ ∂ - чувствительность к температуре; pT - рабочая температура. Величины IS , TS получены при pT
и для середины частотного диапазона ГРК.
* Нами исследован в данной работе ГРК, построенный по параллельной схеме. В качестве АЭ использована
проволока диаметром 52 10−⋅ м из сверхпроводящего сплава НТ-50. NR = 200 Ом. RL-цепь выполнена из
медной проволоки диаметром 43, 6 10−⋅ м. 44 10R −= ⋅ Ом; 73, 6 10L −= ⋅ г.
Рис. 6. Принципиальная схема трехкаскадного ГРК
на криотронах: 1 – криотрон
Рис. 7. Частотно-температурные характеристики
ГРК: 1 - nI =0,12 А; 2 - nI =0,19 А; 3 - nI = 0,33 А;
4 - nI = 0,65 А; 5 - nI = 0,99 А
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
В таблице представлены основные характеристи-
ки экспериментально исследованных ГРК, АЭ кото-
рых построены из различных сверхпроводящих ма-
териалов. В качестве АЭ были использованы: плён-
ки из Pb , YBaCuO , проволока из сплава НТ-50, на-
номостик постоянной толщины из NbN , торцевой
ТПД Nb Si Nb− − , плёночные и проволочные
Sn Pb− -криотроны. Частота ГРК задавалась ве-
личиной постоянного тока питания.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ГРК на сверхпроводниках являются преобразова-
телями постоянного тока питания в переменный. Ча-
стота ГРК, при заданных параметрах схемы, зависит
от величины тока питания, температуры активного
элемента и внешнего магнитного поля. Это даёт воз-
можность использовать ГРК в качестве амперметра
(в том числе, в качестве сверхпроводящего ам-
перметра), термометра, оптического датчика, магни-
тометра, индикатора установления рабочей темпера-
туры и уровня хладоагента в криостате [3,11-13]. Та-
ким образом, ГРК является многофункциональным
прибором, пригодным для использования в исследо-
ваниях, проводимых при низких температурах.
ЛИТЕРАТУРА
1. G.B.Rosenberger. A cryogenic oscillator // IBM
Journa. 1959, p. 189-190.
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2007. № 4.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (16), с.75 - 78.
77
2. F.L.Vernon, R.J.Pedersen. Relaxation oscillators in
Josephson junctions // J.Appl. Phys. 1968, v. 39,
N 6, p. 2661-2664.
3. K.Enpuku, T.Kisu, K.Yoshida. Relaxation oscilla-
tor using hysteretic current-voltage characteristics
of YbaCuO thin strips // IEEE Transactions on
Magnetics. 1991, v. 27, N 2, part 4, p. 3058-3061.
4. C.R.Smallman, A.E.Slade, M.L.Cohen. Thin film
cryotrons // Proc. IRE. 1960, v. 48, N 9, p. 1562-
1582.
5. Я.С.Кан, В.А.Рахубовский. Использование про-
волочных криотронов в вычислительных и изме-
рительных устройствах: Препринт ХФТИ 74-
29. Харьков, 1974, 22 с.
6. Y.Taur, P.L.Richards. Relaxation oscillator point
contact Josephson junctions // J. Appl. Phys. 1975,
v. 46, N 4, p. 1793-1797.
7. В.А.Ильин, Н.М.Масленников, И.А.Семин. Низ-
кочастотные релаксационные колебания в си-
стемах, содержащих цепочки торцевых джозеф-
соновских переходов // Радиотехника и элек-
троника. 1989, т. 34, № 6, с. 1282-1289.
8. С.Н.Рычков. Устойчивость автоколебаний в
кольцевом криотронном автогенераторе с
произвольным числом каскадов n =3,4 // Изве-
стия вузов. Радиофизика. 1975, т. 18, № 5, с.
775-777.
9. M.Mück, H.Rogalla, C.Heiden. Relaxation oscillator
made of bridge-type josephson contacts // Appl. Phys.
A. 1988, v. 46, N 2, p. 97-101.
10. В.А.Рахубовский. О некоторых характеристиках
криотронного генератора релаксационных колеба-
ний с управляемой частотой // Вопросы атомной
науки и техники. Серия «Вакуум, чистые матери-
алы, сверхпроводники» (13). 2003, № 5, с. 90-91.
11. Я.С.Кан, В.А.Рахубовский. Некоторые примене-
ния криотронных генераторов релаксационных
колебаний для исследований при низких темпера-
турах // Электронная техника. Серия 15 «Крио-
генная электроника». 1971, в. 1(3), с. 72-78.
12. D.W.Gerdt, M.V.Moody, J.X.Paterson. A tunnel-
junction relaxation oscillator: Application to ther-
mometry // J. Appl. Phys. 1979, v. 50, N 5, p. 3542-
3546.
13. Mück, C.Heiden. Simple DC-SQUID system based
on a frequency modulated relaxation oscillator //
IEEE Transactions on Magnetics. 1989, v. 25, N 2,
p. 1151-1153.
ГЕНЕРАТОРИ РЕЛАКСАЦІЙНИХ КОЛИВАНЬ НА НАДПРОВІДНИКАХ
В.А. Рахубовський
Розглянуті генератори релаксаційних коливань (ГРК), в яких в якості активних елементів використовуються плівкові
та проволочні надпровідники, тунельні переходи джозефсона, наномостки, ПТ-СКВІДИ, кріотрони. Узагальнені
результати досліджень та представлені порівнювальні характеристики ГРК, побудованих з різних надпровідних
матеріалів. Відмічені можливості використання ГРК в якості вимірювальних приладів в дослідженнях при низьких
температурах.
SUPERCONDUCTOR-BASED RELAXATION OSCILLATIONS GENERATORS
V.A. Rakhubovskiy
Relaxation oscillations generators (ROG) that use the film – type and wire – type superconductors, Josephson tunneling junc-
tions, nanobridges, DS – SQUIDs, cryotrons as active elements have been considered. The results of research have been summa-
rized and comparison characteristics of ROGs manufactured from different superconducting materials have been given. The op-
portunities for using ROGs as measuring devices for low temperature investigations have been pointed out.
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2007. № 4.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (16), с.75 - 78.
78
В.А.Рахубовский
ВВЕДЕНИЕ
1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
И СХЕМЫ ГРК
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
В таблице представлены основные характеристики экспериментально исследованных ГРК, АЭ которых построены из различных сверхпроводящих материалов. В качестве АЭ были использованы: плёнки из , , проволока из сплава НТ-50, наномостик постоянной толщины из , торцевой ТПД , плёночные и проволочные -криотроны. Частота ГРК задавалась величиной постоянного тока питания.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
В.А. Рахубовський
SUPERCONDUCTOR-BASED RELAXATION OSCILLATIONS GENERATORS
V.A. Rakhubovskiy
|