РОЗДІЛ 2
ФІЗИЧНІ ОСНОВИ МЕТОДИКИ, ВИМІРЮВАЛЬНІ СТЕНДИ ТА ВИГОТОВЛЕННЯ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ЗРАЗКІВ
Для дослідження просторово неоднорідних плівок YBa2Cu3O7-? використовувалися методи вимірювання ВАХ та диференційного опору dV/dI широких мікромістків (ММС) під дією транспортного струму і мікрохвильового електромагнітного випромінювання (МХ ЕМВ). Для дослідження МХ параметрів вузьких плівок, багатошарових структур і пристроїв на основі YBa2Cu3O7-? використовувалися методи вимірювання електродинамічних характеристик (ЕДХ) мікросмужкових резонаторів.
Для усунення впливу теплових ефектів і шумів поблизу критичної температури ТС, які можуть придушити прояви тонких ефектів, пов'язаних із внутрішньою структурою ВТНП, частину вимірюваннь проводили в рідкому гелії при температурі 4,2 К.
Специфіка досліджень у мікрохвильовому діапазоні вимагає розробки і застосування нових методик, спеціальної апаратури і обладнання, які забезпечували б проведення досліджень при кріогенних температурах і передачу неспотворених даних з досліджуваних об'єктів, що знаходяться при наднизьких температурах, на контрольно-вимірювальну апаратуру (КВА), що знаходиться при кімнатних температурах.
2.1. Методики й експериментальні стенди для дослідження мікромістків на основі плівок YBa2Cu3O7-?
Для вимірювання ВАХ і dV/dI ММС були розроблені стенди, що дозволяють проводити вимірювання при температурах рідкого гелію та вищих. Стенди складаються з кріогенної і вимірювальної частин.
Для досліджень ВАХ і dV/dI ММС у широкому діапазоні температур використовувався спеціальний кріостат з регулюванням і стабілізацією температури досліджуваного зразка. Вимірювання ВАХ проводилися за стандартною чотиризондовою методикою, dV/dI одержували диференціюванням ВАХ методом детектування гармонік.
В основу методики диференціювання закладені наступні принципи. Якщо через досліджуваний зразок, що у загальному випадку є нелінійним елементом, крім постійного струму I0 пропускати слабкий змінний струм i1 cos ?t (? = 2? F - кутова частота, I0 ?? i1), то для схеми з джерелом струму (тобто, за умови Rгенератора ?? Rзразка) напругу на зразку V(I) можна представити рядом Тейлора:
V(I) = V0(I0) + (d V /d I)I 0 i1 cos ?t + 0,5 (d 2V/dI2) I 0 i12 cos2 ?t ?
? V0(I0) + (d V /d I)I 0 i1 cos ?t + 0,25 (d 2V/dI2)I 0 i12 cos 2?t +... (2.1)
де V0(I0) - постійна напруга зміщення, F - частота змінного струму i1.
З формули (2.1) видно, що ефективне значення змінної напруги V1 на частоті модуляції F пропорційне диференційному опору зразка
V1 ? dV /dI, (2.2)
а ефективне значення змінної напруги другої гармоніки V2 на частоті модуляції 2F пропорційне другій похідній
V2 ? d 2V/dI2. (2.3)
Для збільшення чутливості до малих нелінійностей ВАХ застосовуються мостові схеми. Крім поліпшення умов реєстрації сигналу на основній частоті F мостові схеми дають можливість реєстрації сигналів на частоті 2F (пропорційних d2V/dI2), оскільки дозволяють практично цілком зкомпенсувати сигнал основної частоти.
На рис. 2.1 представлена блок-схема низькочастотної (НЧ) частини вимірювального стенда. Напругу модуляції створює прецизійний генератор синусоїдальних сигналів 1 (Г3-35) з коефіцієнтом нелінійності 0,02 - 0,05 %. При вимірюванні dV/dI опорний сигнал частотою 1240 Гц для синхронного детектора 2 (У9-2) знімається з каліброваного виходу Г3-35 з наступним підсиленням до 1,5 В. Для вимірювання другої гармоніки необхідно частоту генератора 1 встановити 620 Гц, при цьому селективний підсилювач 3 (У2-6) і синхронний детектор 2 не перелаштовуються. Опорний сигнал створювався шляхом подвоєння частоти діодним мостом і підсиленням в селективному підсилювачі 3, що забезпечували синусоїдальний сигнал частотою 1240 Гц з напругою 1,5 В.
Рис. 2.1. Блок-схема низькочастотної частини стенда для вимірювання ВАХ і диференційного опору dV/dI.
Зміщення на контактах досліджуваного зразка створювалося спеціально розробленим джерелом постійного струму з регульованим часом розгортки - характеріографом 4 [101]. Характеріограф 4 забезпечує двополярну лінійну розгортку струму трикутної форми на заземленому навантаженні. Діапазон вихідних струмів - 0 ? ?2 А. Параметри напруги керування: амплітуда - 0 ? ?7,5 В, інтегральна нелінійність напруги трикутної форми ? 0,03 %. Характеріограф 4 дозволяє сканувати довільно обрану ділянку досліджуваної залежності як у періодичному, так і в аперіодичному режимі.
Для врівноваження діагоналі моста з точністю до 0,01 Ом використовувався магазин опорів МСР-60. Сигнал розбалансу подавався на трансформаторний вхід нуль-індикатора 5 (Ф-582), а потім детектувався синхронним детектором 2. Продетектованний сигнал подавався на вхід Y двокоординатного самописа 6 (ПДП-4). На вхід X самописа 6 подавалася напруга зміщення безпосередньо зі зразка, розміщеного в кріостаті 7. Для запису ВАХ сигнал, пропорційний струму через зразок, знімався з еталонного опору і подавався на вхід Y самописа 6.
На рис. 2.2 показана блок-схема стенда для дослідження ВАХ мікромістків під дією ЕМВ міліметрового діапазону.
Рис. 2.2. Блок-схема стенда для дослідження ВАХ мікромістків під дією ЕМВ міліметрового діапазону.
Стенд складається зі НВЧ генератора 1 (Г4-141), перемінного атенюатора 2 (АТ-05), вентиля 3 (ФВВ 1-11), спрямованого відгалужувача (СВ) 4, погодженого навантаження 5. МХ ЕМВ з генератора 1 через СВ 4 по відрізках хвилеводів, що забезпечують необхідні повороти хвилеводного тракту, і через хвилеводний гермоввод 6, розташований у герметичній кришці 7, вводиться в кріостат 8. З внутрішньої - "холодної" - сторони кришки 7 до гермовводу 6 приєднується відрізок хвилеводу 9 з низьким коефіцієнтом теплопровідності, до якого приєднаний відрізок хвилеводу 10 з хвилеводною камерою 11, в якій розміщається досліджу