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约瑟夫森结一个重要的应用就是可以制作微弱电磁辐射的探测器件。不需要另外的本振,就可以得到信号的幅度、频率等信息。超导电子器件在THz波段内的信号发生、传输、检测等方面具有频带宽、响应速度快、灵敏度高的优点。因此开发超导电子器件在THz波段的应用是当前国际电子学研究的前沿领域。THz辐射的独特性质在物理、信息、材料和生物等领域具有广阔的应用前景。THz检测器件是THz应用的关键技术。近年来的研究表明,约瑟夫森结检测的灵敏度可高达9000V/W,在单一温度下使用单个结的检测频带宽度可达50:1(76GHz至3.1THz),检测频率可高达4.25THz。
本文主要工作是研究小型高频检测系统,研究高温超导约瑟夫森结在高频信号辐照下的响应以及从响应中恢复信号频谱的技术,并研究了虚拟仪器在高频检测中的应用,利用C++、Measurement studio和Iabview编写了小型高频检测系统的软件系统,为以后进一步的研究打下了基础。
为了方便从约瑟夫森响应中直接得到信号的频谱,研究了虚拟仪器技术。利用NI Measurement studio提供的仪器软件面板、LabView提供的Hilbert变换等数学函数库以及C++方便的对硬件操作,编写数据采集及处理系统,建立起一整套自动测量系统,实现了约瑟夫森频谱检测系统,从测量系统界面上可以直接得到探测信号的频谱。利用致冷机,在液氮温度以下我们获得了THz频段的信号响应,在T=6K,50K,我们检测了98GHz,196GHz,294GHz,760GHz,2.5THz的单频信号的频谱。工作在液氦温区的探测系统装置复杂,价格昂贵,不利于在实际应用中推广,我们制作了便利的工作在液氮温区小型致冷装置,利用热传导对超导结进行致冷,可以获得79K的温度。在79K温度下,探测了98GHz微波信号的频谱,并研究了100GHz附近,几个信号分别和同时辐照约瑟夫森结时检测系统检测到的频谱,结果证实了约瑟夫森检测系统的宽带检测是可行的。
我们希望在今后的工作能采用DSP技术实现高速数据采集,并进一步改进前置放大器性能,降低系统的噪声,使得约瑟夫森检测系统真正实用化。