Рис.9. Вольт-полевая характеристика СВЧ гистерезисного СКВИДа для
= 0.3; сплошная линия - γ = 0, серая линия γ = 0.01, пунктирная γ = 0.03, кругами γ = 1Измеряемый слабый поток Фх изменяет приложенный к СКВИДу внешний поток Ф = ФB+ Фх и тем самым меняет напряжение на контуре на малую величину
, , которая и служит выходным сигналом СКВИДа. Чувствительность СКВИДа можно характеризовать такой величиной (Фх) min, при которой выходной сигнал равен среднеквадратичному значению её суммарного выходного шума: (28)где под
понимают спектральную плотность шума . Таким образом, мы можем сказать, что мера выходного шума СКВИДа обратно пропорциональна передаточной характеристике │Н│max.На Рис.10 показана зависимость передаточной характеристики гистерезисного СКВИДа от шума. Видно, что при увеличении интенсивности шума γ, почти ступенчатая функция становится квазисинусоидальной, а максимум модуля передаточной характеристики уменьшается. │Н│maxсоответствует середине линейного участка вольт-полевой характеристики.
Рис.10. Передаточная характеристика СВЧ СКВИДа. Пунктирная линия - γ = 0.03, сплошная - γ = 0.8
На Рис.11 показана зависимость выходного шума СКВИДа от интенсивности флуктуаций на входе интерферометра. Видно, что в пределах малых шумов увеличение флуктуаций тока на входе линейно увеличивает шумовые характеристики на выходе прибора. На участке γ>0.5, наблюдается резкий рост выходного шума.
Рис.11. Обратная функция передачи СВЧ СКВИДа от интенсивности флуктуаций на входе интерферометра
Хорошо известно [6], что наклон сигнальной характеристики гистерезисного СВЧ СКВИДа Hрастет с увеличением частоты накачки. На Рис.12 показана эта зависимость для частот
= 0.3, = 0.01, = 0.5 и шума γ = 0.3. Таким образом, мы находим, что частота накачки = 0.3 приближает работу прибора к минимуму ошибки измерения (Рис.13). Подобный результат, используя другую характеристику - отношение сигнал / шум, был получен в работе [7]. Рис.12. Передаточная характеристика. Красная линия -
= 0.01, черная линия - = 0.3, синяя - = 0.5. Рис.13. Обратная функция передачи СВЧ СКВИДа от частоты накачки
На Рис.14 представлена базисная схема двухконтактного интерферометра. Здесь сигнал с датчика можно снимать и на постоянном токе, и поэтому такие СКВИДы часто называют СКВИДами постоянного тока.
Рис.14. Базисная схема двухконтактного интерферометра.
В двухконтактном интерферометре задается ток
, лишь немного превышающий критическое значение . При этом на интерферометре возникает постоянное напряжение , которое поступает на усилитель. Измеряемый слабый поток изменяет приложенный к СКВИДу внешний поток и тем самым меняет напряжение на интерферометре на малую величину , которая, после усиления и пропускания через фильтр низких частот с полосой , и служит выходным сигналом СКВИДа. Флуктуационная динамика магнитного потока в кольце двухконтактного СКВИДа, может быть описана следующими уравнениями [8]:
(29)где
- разность фаз параметра порядка джозефсоновских переходов, Ф - захваченный поток, , Фm - измеряемый поток, время нормировано на характеристическую частоту джозефсоновского контакта .Шумовой источник
- белый гауссовский шум: (30)где
- безразмерная интенсивность флуктуаций.Система уравнений (29) была решена численно методом Хюна [9], что позволяет найти вольт-амперную и вольт-полевую характеристики двухконтактного интерферометра.
На Рис.15 изображена вольт-амперная характеристика (т.е. зависимость напряжения на СКВИДе
от тока i, при различных значениях измеряемого магнитного поля =0, π/2, π/4) при l= 3. Как видно из графика, при увеличении интенсивности шума γ, ступенька на ВАХ опускается и сглаживается. Рис.15. Вольт-амперная характеристика СКВИДа постоянного тока сплошная линия - γ = 0, пунктирная линия γ = 0.01, серая линия γ = 0.03.
Вольт-полевая характеристика для тех же параметров и i= 2.1 представлена на Рис.16. Видно, что при увеличении интенсивности шума γ соответствующие кривые поднимаются вверх и амплитуда колебаний уменьшается.
Рис.16. Вольт-полевая характеристика двухконтактного СКВИДа; сплошная линия - γ = 0, пунктирная линия γ = 0.01, серая γ = 0.03, кругами γ = 0.7
Обратимся к характеристикам выходного шума СКВИДА (Рис.17.).
Рис.17. Передаточная характеристика. Черная линия - γ = 0.3, зеленая линия - γ = 1.
На Рис.18. показано, как с увеличением интенсивности входного гауссовского шума уменьшается чувствительность СКВИДа [10], увеличивается влияние флуктуаций на выходные характеристики двухконтактного интерферометра. Из графика видно, что в пределах малых шумов увеличение флуктуаций тока на входе линейно увеличивает шумовые характеристики на выходе прибора. На участке γ > 0.5, наблюдается резкий рост выходного шума.
Рис.18. Обратная функция передачи СКВИДа постоянного тока от интенсивности флуктуаций на входе интерферометра
В работе рассматривалась модель [11] с потенциальным полем
(Рис. 19, сплошная линия) где - Джозефсоновская энергия, x - фаза, - нормированная индуктивность перехода, внешнее магнитное поле .