Termiset detektorit ja antennit

On olemassa kahdenlaisia termisisiä detektoreita:

• Tavallisella infrapunasäteilyllä säteilyn aallonpituus on paljon pienempi kuin mittalaitteen absorbantin paksuus. Vastaanotto riippuu siis absorbantin musta-kappale-ominaisuuksista ( $\epsilon \approx 1$). Jos tällaisen laitteen lämpömittari on lämpötilasta riippuva resistanssi, kutsutaan sitä bolometriksi.
• Kaukaisella IR-säteilyllä ja alimillimetrisäteilyllä absorbantti voi olla ohuempi kuin säteilyn aallonpituus. Tällöin säteily kerätään antennilla ja säteilystä johtuva teho kulutetaan muutamissa mikrometrikokoisissa termisesti aktiivisissa yksiköissä. Lämpömittari voi olla millainen hyvänsä (resistanssi, Josephson liitos). Tällaista laitetta kutsutaan mikrobolometriksi.

Hyvän suprajohtavan bolometrin vaste on noin 500 V/W.

Suprajohtavat bolometrit

Lämpötila T₀ säädetään niin, että sc on transitiossa, näin pieni muutos lämpötilassa aiheuttaa suuren muutoksen resistanssissa. Yleensä laite biasoiaan virralla, jolloin resistanssin muutos näkyy jännitteessä. Nopea vaste vaatii pientä G:tä ja pientä C:tä.

Kohinalähteet

• Fotonikohina. Ympäristön lämpötilasta aiheutuva kohina
• Lämpökohina. Detektorin lämpötilanmuutoksista aiheutuva kohina, joka johtuu elektronien ja fononien liikkeestä detektorin ja lämpönielun (heat-sink) välillä.
• Johnsonkohina. Virran muutoksista lämpömittarissa johtuva kohina, joka aiheutuu varaustenkuljettajien random-liikkestä. (On htsc:llä samaa luokkaa lämpö-kohinan kanssa.)
• Kalvokohina. $1/f$ kohina, joka johtuu suprajohtavaan tilaan liittyvistä muutoksista (vorteksien liikkesta yms.).
• Vahvistinkohina. On yleesä pieni ja voidaan unohtaa.

Mikrobolometrit Mikrobolometrejä on kahdenlaisia, transition-edge ja hot-electron mikrobolometrejä. Transition-edge mikrobolometreissä säteily kerätään antennilla ja suprajohtava elementti voi toimia antennin kuormana tai vain lämpömittarina. Se toimii kuitenin periaatteeltaan samoin kuin bolometreissä. Pienestä koosta johtuen, terminen aikavakio on paljon pienempi kuin perinteisillä bolometreillä. Hot-electron mikrobolometrit koostuvat suprajohtavasta antennista (esim niobium), ohuesta normaalitilaisesta metallinauhasta, joka toimii antennin kuormana, ja lämpömittarista, joka voi olla SIN-liitos, induktiivinen lämpömittari tai SIS (Josephson)-liitos. Hot-electron mikrobolometrjä valmistetaan vain matalan lämpötilan suprajohteista.

SIN-liitoksen läpi kulkeva kvasihiukkasvirta riippuu vain normaalitilaisen metallin elektronien lämpötilasta, joka voidaan kytkeä riippuvaikseksi mitattavasta säteilystä. Tällaisella mikrobolometrilla vaste on luokkaa $10^9$ V/W.

Suprajohteen sisäinen induktanssi on tavallisen magneettisen induktanssin ja kineettisen induktanssin summa. Kineettinen induktanssi johtuu suprajohtavien varaustenkuljettajien hitaudesta ja riippuu lämpötilasta samoin kuin Londonin tunkeutumissyvyys. Jos mitattavan säteilyn annetaan aiheuttaa lämpötilan muutos suprajohteessa, aiheutuu siitä induktanssin muutos, joka voidaan mitata Wheatstonen sillan avulla. Tällaisen detektorin vaste on luokkaa $10^6$ V/W ja siinä ei esiinny lainkaan Johnson-kohinaa, koska mittausmenetelmässä resistanssi on efektiivisesti nolla.

Josephson-liitosten ominaisuudet riippuvat myös lämpötilasta. Liitos biasoidaan niin, että se on puolivälissä I/V-käyrän äkillistä nousua, joka on kohdassa $2\Delta/e$. Kun liitoksen lämpötila nousee vaikuttaa se energia-aukkoon, ja näin ollen jännitteeseen. Tällaisen bolometrin vaste on luokkaa $10^3$ V/W

Antennit voivat hyötyä suprajohteiden alhaisesta pintaresistanssista. Tässä käsittelemme vain sähköisesti pieniä antenneja, millä tarkoitetaan antenneja, joiden dimensiot ovat paljon pienempiä kuin käytettävä aallonpituus. Sähköisesti pienen antennin suuntaavuus on aina heikko, siksi käytetäänkin supersuuntaavia antenneja. Näissä elementit ovat paljon lähempänä toisiaan ja siten vahvemmin kytkettyjä. Lisäksi vaihe-ero vierekkäisten elementtien välillä on lähes 180$^\circ$. Tämä aiheuttaa kaukokenttien kumoutumisen muualla paitsi kapealla alueella. Normaalijohteiden käyttäminen supersuuntaavissa antenneissa ei ole käytännöllistä, koska häviöt ovat hyvin suuret, ja tehokkuus siis pieni.

Suprajohtavia antenneja käytetään pääasiassa NMR-laitteistojen vastaanotossa, jossa tarvitaan pieniä mutta tehokkaita antenneja.

Antennit

	Säteilyteho	Suht.kais-
	(%) tanleveys (%)
Yksit. H: Cu 300 K	2	1.9
Yksit. H: Cu 77 K	5	0.89
Yksit. H: YBCO 77 K	60	0.17
Dual. H: YBCO 77 K	85	0.39

Mitattuja H-patch antennien ominaisuuksia 2.4 GHz:llä (antennin ala 6 x 6 mm²).