PL231182B1 - Sposób pomiaru temperatury nierównowagowych procesów termicznych oraz układ do stosowania tego sposobu - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru nierównowagowych procesów termicznych oraz układ do pomiaru temperatury bazujący na nadprzewodzącym złączu Josephsona (mostek Dayema, złącze tunelowe, złącze nadprzewodnik - metal - nadprzewodnik) lub na nanodrucie nadprzewodzącym. Sposób i układ pozwala na pomiar temperatury obiektów z rozdzielczością nanosekundową, a może być wykorzystany w ultraczułych kalorymetrach, bolometrach jak i w mikrochłodziarkach, dla których kontrola sprzężenia termicznego pomiędzy urządzeniem a ich otoczeniem jest kluczowa.

Z publikacji: Phys. Rev. Appl. 4, 034001 (2015), „Tunnel-Junction Thermometry Down to Millikelvin Temperatures, znany jest sposób pomiaru temperatury bazujący na pomiarach stałoprądowych. Metoda polega na wyznaczeniu charakterystyki prądowo-napięciowej, w której zakodowana jest informacja o temperaturze złącza. Natomiast z publikacji: Science 342, 601-604 (2013), „Quantum Limit of Heat Flow Across a Single Electronic Channel znany jest sposób pomiaru temperatury oparty na pomiarach szumu termicznego. Metoda ta opiera się na wyznaczeniu amplitudy prądu termicznego (szumu Johnsona-Nyquista) generowanego przez opornik o znanej oporności, który jest sprzężony indukcyjnie z urządzeniem typu DC SQUID. Metoda ta jest używana w komercyjnie oferowanych platformach do pomiaru temperatury (Firma Magnicon). Powyższe znane sposoby pozwalają badać układy w stanach ustalonych nie dając wglądu w nanosekundowe procesy relaksacyjne zachodzące w badanym obiekcie.

Z publikacji: Phys. Rev. B. 69, 140301(R) (2004), „Temporal measurement of hot-electron relaxation in a phonon-cooled metal Island, Phys. Rev. Appl. 3, 014007 (2015), „Fast Electron Thermometry for Ultrasensitive Calorimetric Detection oraz z publikacji arXiv: 1604.05089 (2016), „Dispersive thermometry with a Josephson junction coupled to a resonator znane są urządzenia pracujące w zakresie częstotliwości radiowych. Za pomocą tych urządzeń można mierzyć procesy termiczne z rozdzielczością submikrosekundową wykorzystując idee reflektometrii mikrofalowej.

Zgłaszającemu nie są znane termometry ani inne urządzenia pozwalające na wykonywanie pomiarów temperatury z większą dokładnością czasową.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu pomiaru temperatury z rozdzielczością nanosekundową, dedykowanego pomiarowi temperatur niższych niż temperatura krytyczna nadprzewodnika, czyli temperatura jego przejścia ze stanu nadprzewodzącego do normalnego. Ponadto celem wynalazku jest opracowanie prostego układu pozwalającego na bezpośredni wgląd w procesy termiczne w stanach nierównowagowych z nanosekundową rozdzielczością.

Sposób pomiaru temperatury według wynalazku polega na tym, że na element termoczuły, będący w zwarciu termicznym z badanym obiektem, działa się impulsami prądowymi. W pierwszym kroku sposobu prowadzi się kalibrację temperaturową elementu termoczułego, korzystnie w postaci złącza Josephsona lub drutu nadprzewodzącego. Podczas tej kalibracji najpierw stabilizuje się i mierzy temperaturę T otoczenia elementu, termoczułego, gdzie T < Tc a Tc jest temperaturą krytyczną użytego nadprzewodnika. Później, w temperaturze T na element termoczuły, działa się ciągiem impulsów n o amplitudzie części sondującej A, ustalonej dla rejestrowanych przez licznik liczby zliczeń P · n (gdzie P jest dowolną liczbą z przedziału (0,1) z okresem τ z przedziału od 10 ns do 1 s i długości od 10 ps do 5 μβ, oraz o amplitudzie mniejszej od 0.9A części podtrzymującej i długości od 1 μs do 10 μβ. Następnie procedurę powtarza się dla co najmniej 20 temperatur z przedziału T < Tc, i z uzyskanych wyników sporządza się krzywą kalibracyjną elementu termoczułego. W drugim kroku wyznacza się temperaturę badanego obiektu działając na element termoczuły czy ciągiem takich samych impulsów n jak w kroku pierwszym, a następnie ustala się dla takiej samej, jak w kroku pierwszym, liczby zliczeń impulsów P x n rejestrowanych przez licznik amplitudę A' części sondującej. Na zakończenie, dla wartości amplitudy A', z krzywej kalibracyjnej odczytuje się temperaturę badanego obiektu.

Układ do pomiaru temperatury według wynalazku posiada źródło impulsów elektrycznych, korzystnie z dwoma zsynchronizowanymi wyjściami. Jedno wyjście połączone poprzez opornik o oporze wewnętrznym Rw, i poprzez opornik o oporze wewnętrznym Rb, którego wejście i wyjście połączone jest, korzystnie za pomocą ekranowanej skrętki z wzmacniaczem i z licznikiem impulsów, poprzez kabel koncentryczny z elementem termoczułym. Natomiast drugie wyjście źródła impulsów połączone jest poprzez opornik o oporze wewnętrznym Rw z badanym obiektem znajdującym się w stanie zwarcia termicznego z elementem termoczułym. Przy czym wejście i wyjście elementu termoczułego połączone jest, korzystnie za pomocą ekranowanej skrętki poprzez wzmacniacz również z licznikiem impulsów. W układzie tym opornik o oporze wewnętrznym Rb, kabel koncentryczny, element termoczuły i badany obiekt umieszczone są w środowisku o temperaturze T < Tc.

PL 231 182 B1

Najlepiej jest jeżeli jako element termoczuły w układzie stosuje się złącze Josephsona takie jak mostek Dayema, złącze tunelowe, złącze nadprzewodnik - metal - nadprzewodnik albo drut z materiału nadprzewodzącego, korzystnie o prądzie krytycznym < 1 mA.

Rozwiązanie według wynalazku umożliwia bezpośredni wgląd, w procesy termiczne w stanach nierównowagowych w odcinkach czasu rzędu pojedynczych nanosekund. Określenie temperatury obiektu będącego w kontakcie termicznym, ze złączem Josephsona lub drutem nadprzewodzącym polega na statystycznym wyznaczeniu jego prądu włączenia, przy którym następuje przejście ze stanu nadprzewodzącego do stanu normalnego, ponieważ prąd ten zależy od temperatury złącza.

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie sposobu pomiaru temperatury obiektu w postaci nanodrutu nadprzewodzącego. Na Fig. 1 rysunku przedstawiono ogólny schemat omawianego układu. Na Fig. 2 pokazano sposób pomiaru temperatury nanodrutu nadprzewodzącego sprzężonego termicznie i galwanicznie ze „złączem (złącze stanowi środkowa część nanodrutu) wraz z otrzymanymi wynikami temperatury dynamicznej i prądu włączenia oraz kształtem rzeczywistego impulsy złożonego z części wymuszającej, mającej za zadanie podgrzanie złącza do ustalonej temperatury (amplituda natężenia prądu impulsu wymuszającego jest znacznie wyższa od natężenia prądu włączenia złącza) oraz części testującej za pomocą której wyznacza się temperaturę nanodrutu po ustalonym czasie od chwili jego podgrzania. Na Fig. 3 przedstawiono rzeczywisty kształt impulsu użytego do wyznaczania temperatury nanodrutu (za pomocą części testującej impulsu) po jego wcześniejszym podgrzaniu za pomocą części wymuszającej impulsu. Fig. 4 to krzywa kalibracyjna, czyli eksperymentalnie wyznaczona zależność natężenia prądu włączenia elementu termoczułego od temperatury otoczenia dla ustalonej liczby zliczeń na liczniku wynoszącej 5 000, z dokładnością do 10%, przy czym całkowita liczba impulsów wysyłanych na element termoczuły wynosi 10 000.

Przykładowy układ posiada źródło napięcia 1, którym jest generator impulsowy Agilent 33250A z dwoma wyjściami 11 i 12, każdy o oporze wewnętrznym R_w = 50Ω 2 i 9. Do wyjścia 11 dołączony jest, poprzez rezystor referencyjny 3 o oporze wewnętrznym Rb = 200Ω, element termoczuły 4 w postaci glinowego mostka Dayema o długości 150 nm, szerokości 80 nm i grubości 30 nm podłączonego do drutu o szerokości 600 nm. Element 4 został wykonany techniką litografii elektronowej. Element 4 został schłodzony poniżej temperatury krytycznej Tc - w przykładzie jest to temperatura około 1.2K. Każdorazowo, po wysłaniu impulsu ze źródła 1, spadek napięcia na mostku 4 jest mierzony za pomocą ekranowanej skrętki 6, poprzez wzmacniacz 7 (NF LI-75A) na liczniku 8 (PHILIPS PM6680). Prąd przepływający przez mostek Dayema mierzony jest na oporniku referencyjnym 3, którego oporność zmienia się bardzo słabo waz z temperaturą, poprzez wzmacniacz 14 (NF LI-75A) za pomocą ekranowanej skrętki 13. Ze względu na konieczność przesyłania, szybkich impulsów oraz zachowania ich kształtu (wymagana prędkość narastania impulsu rzędu 1-10 ns) użyto kabla koncentrycznego CuNi 5. Rzeczywiste kształty impulsów prądowych (przedstawione na Fig. 3), składają się z impulsów wymuszających wysyłanych z wyjścia 12 oraz z impulsów testujących wysyłanych z wyjścia 11. Badany obiekt 10 jest w kontakcie termicznym z elementem termoczułym 4 (glinowym mostkiem Dayema). Pomiar wykonano w chłodziarce opartej na sorpcyjnym pompowaniu ³He.

Według przykładowego sposobu, na element termoczuły, będący w zwarciu termicznym z badanym obiektem, działa się impulsami prądowymi. Najpierw dla elementu termoczułego, w postaci mostka Dayema, ustalono temperaturę otoczenia na T = 380 mK (przy czym Tc = 1.2K) i w temperaturze T na element termoczuły podziałano ciągiem 10 000 impulsów testujących wysyłanych ze źródła 11 (Fig. 1) z okresem τ = 100 ps i o amplitudzie części sondującej A = 340 μΑ każdego z impulsów, o długości 100 ns, oraz amplitudzie części podtrzymującej o amplitudzie 0.6A = 204 μΑ i o długości 5 ps. Amplituda części sondującej została tak ustalona, aby liczba zliczeń na liczniku, dla każdego ciągu 10 000 impulsów, wynosiła 5 000 z dokładnością do 10%. Następnie powyższą procedurę powtórzono dla 19 różnych temperatur Tmniejszych od Tc uzyskując krzywą kalibracyjną (Fig. 4), czyli zależność prądu włączenia od temperatury, dla liczby zliczeń wynoszącej 5 000 z dokładnością do 10%.

W kolejnym etapie wyznaczano relaksację termiczną nanodrutu o szerokości 600 nm, który połączony jest elektrycznie i termicznie z elementem termoczułym. Najpierw ustala się tzw. opóźnienie (Fig. 3), które jest miarą czasu pomiędzy początkiem chłodzenia nanodrutu (ostatnia chwila trwania impulsu wymuszającego) a chwilą w której chcemy dokonać pomiaru jego temperatury. Początkowo wartość opóźnienia została ustalona na 110 ns. Następnie na element termoczuły, z okresem τ = 100 ps, działano ciągiem 10 000 dwóch następujących po sobie impulsów wymuszających i testujących (Fig. 3). Pierwszy impuls wymuszający, mający za zadanie podgrzanie nanodrutu, wysyłany ze źródła 12, miał amplitudę wymuszenia Ap = 510 pA i długość 1 ps, zaś drugi impuls testujący, wysyłany

PL 231 182 B1 ze źródła 11, miał tak ustaloną amplitudę części sondującej, aby liczba zliczeń na liczniku wynosiła 5 000 z dokładnością do 10%. Dla opóźnienia równego 110 ns amplituda ta wyniosła 330 μΆ co, na podstawie krzywej kalibracyjnej, odpowiada temperaturze nanodrutu równej 830mK. Powyższą procedurę pomiaru temperatury nanodrutu powtórzono dla coraz większych wartości opóźnienia. Wyniki pomiaru relaksacji termicznej nanodrutu przedstawiono na Fig. 2 (pełne punkty).

Polepszenie pracy termometru można uzyskać stosując złącze nadprzewodnik - metal - nadprzewodnik (ang. SNS junction) ze względu na prądy włączenia o małym natężeniu, lub złącze tunelowe, które ze względu na znikomą dysypację energii w przerwie energetycznej umożliwia szybszy powrót do równowagi termodynamicznej niż w przypadku zastosowania mostka Dayema lub drutu nadprzewodzącego.

W przypadku zastosowania złączy opartych na Niobie termometr będzie pracował powyżej temperatur ciekłego Helu (< = 8K), natomiast wykorzystanie nadprzewodników wysokotemperaturowych umożliwi działanie termometru w temperaturach ciekłego azotu (~77K).

Rozdzielczość nanosekundową temperatury dynamicznej (w procesie dochodzenia do stanu równowagi) uzyskano dzięki zastosowaniu dwóch impulsów: tzw. impulsu wymuszającego podgrzewającego badany obiekt oraz impulsu testującego wysyłanego na złącze Josephsona ze ściśle ustalonym opóźnieniem względem impulsu wymuszającego (Fig. 1). Powtórzenie pomiaru dla rożnych opóźnień czasowych pozwala na wyznaczenie profilu temperaturowego. Alternatywne rozwiązanie przewiduje wysłanie impulsów testującego i wymuszającego jedną linią elektryczną. Jest to możliwe, gdy badany obiekt jest podłączony galwanicznie do złącza.

Claims (3)

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób pomiaru temperatury nierównowagowych procesów termicznych, w którym na element termoczuły, będący w zwarciu termicznym z badanym obiektem, działa się impulsami prądowymi znamienny tym, że w pierwszym kroku prowadzi się kalibrację temperaturową elementu termoczułego, korzystnie w postaci złącza Josephsona lub drutu nadprzewodzącego, podczas której najpierw stabilizuje się i mierzy temperaturę T otoczenia elementu termoczułego, gdzie T < Tc a Tc jest temperaturą krytyczną nadprzewodnika, następnie w temperaturze T na element termoczuły, działa się ciągiem impulsów n o amplitudzie części sondującej A ustalonej dla liczby zliczeń Px n rejestrowanych przez licznik, gdzie P jest dowolną liczbą z przedziału (0,1) z okresem τ z przedziału od 10 ns do 1 s i długości od 10 ps do 5 μβ, oraz o amplitudzie mniejszej od 0.9A części podtrzymującej i długości od 1 ns do 10 με, a następnie procedurę powtarza się dla co najmniej 10 temperatur z przedziału T < Tc, i z uzyskanych wyników sporządza się krzywą kalibracyjną elementu termoczułego, w drugim kroku wyznacza się temperaturę badanego obiektu działając na element termoczuły ciągiem takich samych impulsów n jak w kroku pierwszym, a następnie ustala się dla takiej samej, jak w kroku pierwszym, liczby zliczeń impulsów P x n rejestrowanych przez licznik amplitudę A' części sondującej, po czym dla wartości amplitudy A' z krzywej kalibracyjnej odczytuje się temperaturę badanego obiektu.

2. Układ do pomiaru temperatury nierównowagowych procesów termicznych, znamienny tym, że posiada źródło impulsów elektrycznych (1), korzystnie z dwoma zsynchronizowanymi wyjściami (11) i (12), przy czym jedno wyjście (11) połączone poprzez opornik (2) o oporze wewnętrznym P_w, i poprzez opornik (3) o oporze wewnętrznym Rb, którego wejście i wyjście połączone jest, korzystnie za pomocą ekranowanej skrętki (13) wzmacniaczem (14) i z licznikiem impulsów (8) oraz poprzez kabel koncentryczny (5) z elementem termoczułym (4), natomiast drugie wyjście źródła impulsów (12) połączone jest poprzez opornik (9) o oporze wewnętrznym Pw z badanym obiektem (10) znajdującym się w stanie zwarcia termicznego z elementem termoczułym (4), którego wejście i wyjście połączone jest, korzystnie za pomocą ekranowanej skrętki (6) poprzez wzmacniacz (7) z licznikiem impulsów (8), przy czym opornik (3), opornik (5), element termoczuły (4), i badany obiekt (10) umieszczone są w środowisku o temperaturze T < Tc.

3. Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że elementem termoczułym (4) jest złącze Josephsona, korzystnie mostek Dayema, złącze tunelowe, złącze nadprzewodnik - metal - nadprzewodnik albo drut z materiału nadprzewodzącego, korzystnie o prądzie krytycznym < 1 mA.