Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Широкополосные высокостабильные терагерцовые смесители на горячих электронах из тонких сверхпроводниковых пленок NbN. Монография

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

1 / 91 2 3 4 5 6 7 8 9 > Следующая >>>

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

«Московский педагогический государственный университет»

высшего профессионального образования

С. А. Рябчун, И. В. Третьяков, М. И. Финкель,

С. Н. Масленников, Н. С. Каурова,

В. А. Селезнев, Б. М. Воронов,

Г. Н. Гольцман

ШИРОКОПОЛОСНЫЕ ВЫСОКОСТАБИЛЬНЫЕ

ТЕРАГЕРЦОВЫЕ СМЕСИТЕЛИ НА ГОРЯЧИХ

ЭЛЕКТРОНАХ ИЗ ТОНКИХ

СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ

ПЛЕНОК NbN

Монография

МПГУ

Москва – 2011

УДК 621.396.62 ББК 32.849 Ш645

Рецензенты:

доктор физико-математических наук, профессор кафедры теоретической физики факультета физики и информационных технологий МПГУ кандидат физико-математических наук, профессор кафедры общей и экспериментальной физики факультета физики

информационных технологий МПГУ

Коротаев О. Н.;

Елантьев А. И.

Ш645

Рябчун С. А., Третьяков И. В., Финкель М. И., Масленников С. Н., Каурова Н. С., Селезнев В. А., Воронов Б. М., Гольцман Г. Н. Широкополосные высокостабильные терагерцовые

смесители на горячих электронах из тонких сверхпроводниковых пленок NbN: Монография.

Монография посвященна обзору исследований терагерцовых смесителей на горячих электронах из тонких сверхпроводящих пленок NbN. В работе дан обзор исследований полосы преобразования квазиоптического смесителя на горячих электронах с двумя каналами энергетической релаксации – фононным и диффузионным, а также стабильности и флуктуационной чувствительности приемника на основе таких смесителей. Монография охватывает большое количество оригинальных работ (в том числе и автора монографии), посвященных исследованию терагерцовых смесителей на горячих электронах на основе тонких сверхпроводниковых пленок.

Монография предназначена для студентов старших курсов, аспирантов и начинающих исследователей, работающих в области создания устройств терагерцового диапазона.

– М.: МПГУ, 2011. – 86 с.

ISBN 978–5-4263–0047–7

Содержание

Введение ....................................................................................................... 5

ГЛАВА 1. ГЕТЕРОДИННЫЕ ПРИЕМНИКИ

ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА ............................................14

1.1. Гетеродинные приемники на основе ДБШ и СИС ......................14

1.1.1. ДБШ смесители .....................................................................14

1.1.2. СИС смесители .....................................................................15

1.2. Смесители на горячих электронах ................................................17

1.2.1. Эффект электронного разогрева в сверхпроводниках .........17

1.2.2. HEB смесители с фононным каналом охлаждения .............20

1.2.3. HEB смесители с диффузионным каналом охлаждения .....24

1.2.4. Согласование HEB смесителя с входным излучением ........24

1.2.5. Стабильность HEB приемника .............................................27

ГЛАВА 2.ИЗГОТОВЛЕНИЕ HEB СМЕСИТЕЛЕЙ

И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК...........36

2.1. Изготовление HEB смесителей .....................................................36

2.1.1. Квазиоптические HEB смесители ........................................36

2.1.2. Волноводные HEB смесители...............................................38

2.2. Зависимость сопротивления HEB смесителя от температуры.....38

2.3. Полоса преобразования HEB смесителя ......................................40

2.4. Стабильность HEB приемника .....................................................43

2.5. Температурное разрешение HEB приемника ...............................45

ГЛАВА 3. ПОЛОСА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

КВАЗИОПТИЧЕСКОГО NBN HEB СМЕСИТЕЛЯ

С ДВУМЯ КАНАЛАМИ ОХЛАЖДЕНИЯ ................................48

3.1. Параметры исследуемых HEB смесителей ...................................48

3.2. Исследования полосы преобразования HEB смесителя

при температуре сверхпроводящего перехода.............................51

3.3. Калибровка тракта ПЧ HEB приемника .......................................54

ГЛАВА 4. СТАБИЛЬНОСТЬ И ТЕМПЕРАТУРНОЕ

РАЗРЕШЕНИЕ ВОЛНОВОДНОГО HEB

ПРИЕМНИКА НА ЧАСТОТЕ 810 ГГЦ .....................................58

4.1. СВЧ инжектирование ....................................................................58

4.2. Исследование стабильности волноводного HEB приемника ......62

4.3. Температурное разрешение волноводного HEB приемника

в радиометрическом режиме ........................................................66

4.4. Температурное разрешение волноводного HEB приемника

в спектроскопическом режиме .....................................................69

Заключение . ................................................................................................72

Список публикаций авторов ........................................................................74

Список литературы ......................................................................................75

Список сокращений .....................................................................................84

Введение

Исследования в терагерцовой области спектра электромагнитного излучения (0,3 ТГц – 3 ТГц) являются важной задачей наблюдательной астрономии [1–4]. Определенные процессы в «жизненном цикле» межзвездного вещества, в Млечном Пути и других галактиках имеют характерные линии испускания и поглощения, лежащие в терагерцовой области. Молекулярные соединения такие, как CO, CS, SO, SO

, HCO+, HCN, C, N+ и C+, могут наблюдаться в этой

части спектра электромагнитного излучения. Рождение звезды происходит в результате гравитационного коллапса межзвездных пылевых туманностей. В процессе коллапса основная часть энергии туманности переходит в электромагнитное излучение терагерцового диапазона. Регистрация этого излучения с помощью приемников терагерцового диапазона и анализ полученных данных дают богатую информацию о плотности, температуре и других характеристиках этих туманностей, что необходимо для дальнейшего изучения эволюции звезд и планетных формирований. Таким образом, наблюдения, проведенные в терагерцовой области, могут способствовать лучшему пониманию явлений, протекающих в гигантских межзвездных молекулярных облаках и областях формирования звезд, а также дать информацию о различных процессах, протекающих в Млечном Пути и других галактиках. Спектральная плотность энергии электромагнитного излучения, испускаемого молекулярным облаком в терагерцовом диапазоне, приведена на рис. 1. На том же рисунке, для сравнения, показана спектральная плостность излучения черного тела при 30 K.

Однако наблюдения в терагерцовой области спектра довольно затруднены, главным образом, из-за сильного ослабления электромагнитного излучения этого диапазона земной атмосферой, поэтому телескопы необходимо распологать в высокогорных областях (RLT [1], SMA [5], ALMA [6]) или базировать на самолетах (SOFIA [7]), или запускать в космос (Herschel [8]).

На рис. 2 показано пропускание атмосферы в направлении на

зенит на высоте 4200 м над уровнем моря (Mauna Kea, Hawaii).

Как видно, на частотах выше 1 ТГц, даже в таком благоприят-

ном для радиоастрономии месте, как Mauna Kea, атмосфера

практически непрозрачная.

Рис. 1. Спектральная плотность энергии электромагнитного излучения,

испускаемогомолекулярным облаком в терагерцовом диапазоне. Для сравнения,

показана спектральная плостность излучения черного тела при 30 K

Рис. 2. Пропускание атмосферы в направлении на зенит

на высоте 4200 м (Mauna Kea, Hawaii)

Основными параметрами гетеродинных приемников являются шумовая температура и полоса преобразования. До недавнего времени, основными приемниками в терагерцовом диапазоне являлись приемники на диодах Шоттки (ДБШ), работающие в широком диапазоне температур [9–10]. Однако такие приемники требуют большой мощности гетеродина (порядка нескольких милливатт), что трудно достижимо на частотах порядка 1 ТГц и выше из-за отсутствия мощных перестраиваемых твердотельных источников излучения.

В настоящее время на частотах ниже 1 ТГц безусловными лидерами являются смесители на туннельном переходе сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС смесители) из-за их низкой шумовой температуры (несколько hν/k

) и стабиль-

ности по отношению к флуктуациям мощности гетеродина в время работы. Поэтому они широко используются в радиотелескопах, работающих в этом диапазоне (например, SMA [5], ALMA [6]). К сожалению, шумовая температура СИС смесителя резко возрастает, когда частота излучения приближается или превышает величину энергетической щели сверхпроводящего материала, из которого он изготовлен [12].

Смесители на эффекте разогрева электронов в резистивном состоянии сверхпроводников (hot-electron bolometer

(HEB) mixer) [13–15] были выбраны для терагерцовой астро-

номии из-за того, что они не имеют частотных ограничений

по механизму смешения [16, 17], обладают низкой шумовой

температурой (менее 1 K/ГГц), и отностильно широкой по-

лосой преобразования [18–22], и также, поскольку они тре-

буют меньше мощности гереродина, чем смесители на дио-

дах Шоттки (ДБШ смесители). Поэтому в гетеродинном

инструменте для дальней ИК-области (Heterodyne Instrument

for the Far-Infrared – HIFI), который запущен на борту кос-

мической обсерватории Herschel HEB смеситель использу-

ется для полосы частот 1 410–1 910 ГГц [8]. Два гетеродин-

ных приемника, CASIMIR и GREAT, на основе HEB смеси-

телей, работающих в частотных диапазонах 1,2–2,1 ТГц

и 1,5–5 ТГц, будут запущены на борту самолетной обсерва-

тории SOFIA [7]. HEB смеситель будет использован для наб-

людений на частоте 1,8 ТГц в проекте воздушного базирова-

ния TELIS [23]. Наземный телескоп APEX, расположенный

в Северном Чили (Llano de Chajnantor) на высоте 5105 м над

уровнем моря использует HEB смеситель для покрытия час-

тотного диапазона 1250–1384 ГГц [24]. Receiver Lab Telescope,

построенный в Гарвард-Смитсониевском астрофизическом

центре в настоящее время

лескопов, работающих на частотах 0,8–1,5 ТГц.

ект МИЛЛИМЕТРОН [26], разрабатываемый Астрокосми-

ческим Центром ФИАН им. П. Н. Лебедева, будет использо-

вать HEB приемники для проведения наблюдений на

частотах выше 1 ТГц.

Несмотря на неоспоримые преимущества HEB смесителей по сравнению с другими приемниками на частотах выше 1 ТГц, ведется поиск лучших характеристик – более низкой шумовой температуры и широкой полосы преобразования. В настоящее время полоса преобразования практических HEB приемников не превышает 4 ГГц. Что касается гетеродинной спектроскопии, более широкая полоса преобразования может позволить наблюдение нескольких относительно узких спектральных линий или одной широкой линии (например, в случае быстро вращающегося объекта происходит допплеровское уширение линии) без необходимости перестраивать частоту гетеродина, процедуры не только нежела-

один из немногих наземных те-

[25]. Про-

тельной, но и иногда практически невозможной. В радио-

метрах, в простейшем случае (см. обсуждение ниже), температурное разрешение обратно пропорционально квадратному корню из полосы детектирования и улучшается при уменьшении шумовой температуры приемника:

(1)

где T

∆=

– температура антенны; TR – шумовая температура

приемника; B – полоса детектирования приемника; t – время интег-рирования.

Таким образом, увеличение полосы детектирования/пре-

образования и уменьшение шумовой температуры являются важными практическими задачами.

В реальности, для наблюдения большинства астрономи-

ческих объектов на терагерцовых частотах требование, чтобы приемник имел низкую шумовую температуру, часто недостаточно для достижения нужного отношения сигнал-шум, так как принимаемый сигнал обычно очень слабый. Эффективная температура антенны, соответствующая линии испускания в молекулярных облаках, часто на несколько порядков ниже, чем шумовая температура приемника. Если шум в системе полностью некоррелирован, то есть он белый, тогда можно достичь любого отношения сигнал-шум просто за счет увеличения времени интегрирования, так как в этом случае вклад шума будет уменьшаться обратно пропорционально квадратному корню из произведения полосы приемника и времени интегрирования (см. формулу (1) выше). Однако, обычно, в системе присутствуют другие виды шума, именно 1/f (фликер) шум и дрейф, что делает увеличение времени интегрирования бесполезным (в случае 1/f шума) или вредным (дрейф). В настоящее время для HEB приемников оптимальное время интегрирования (время Аллана) меньше 1 с [27] и вопрос его увеличения остается открытым.

Эффект электронного разогрева реализуется в тонких

сверхпроводящих неупорядоченных пленках с малой длиной свободного пробега электронов. В таких пленках, на малых энергиях, преобладает электрон-электронный механизм релаксации энергии над электрон-фононным. Это приводит

к фермизации функции распределения электронов [28–31], то есть электронной подсистеме сверхпроводящей пленки можно приписать некоторую эффективную температуру. Быстродействие болометра на горячих электронах определяется временем релаксации электронной температуры, которое зависит от материала сверхпроводника (в явном виде через время электрон-фононного взаимодействия и электронную и фононную теплоемкости), а также от его геометрии (через время ухода неравновесных фононов в подложку, и время диффузии горячих электронов в контакты). Вообше говоря, переход пленки в резистивное состояние может произойти под воздействием ряда факторов: магнитного поля, внешнего высокочастотного излучения (не обязательно с частотой выше частоты, соответствующей энергетической щели сверхпроводника) или же высокой рабочей температуры (порядка критической).

Если на сверхпроводящую пленку падает электромагнитное излучение, то его энергия перераспределяется посредством электрон-электронного взаимодействия по электронной подсистеме, вызывая повышение ее температуры. Энергия от разогретых электронов благодаря электрон-фононному взаимодействию переходит к фононам, причем неравновесные фононы, не нагревая фононной подсистемы, будут выходить из пленки в подложку. Описанный канал охлаждения электронной подсистемы называется фононным и реализуется в случае «грязных» неупорядоченных пленок с малым временем электрон-электронного взаимодействия. Быстродействие в этом случае будет определяться электронной и фононной теплоемкостями, временем электрон-фононного взаимодействия, а также временем ухода неравновесных фононов в подложку. Ширина полосы преобразования HEB смесителей с фононным каналом охлаждения достигает 3,2 ГГц для волноводных смесителей [20] и 5,2 ГГц для квазиоптических смесителей [21].

Для чистых пленок с большим коэффициентом диффузии D электронов можно реализовать диффузионный канал охлаждения электронов [32]. В этом случае длина смесительного элемента должна быть много меньше тепловой длины

1 / 91 2 3 4 5 6 7 8 9 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]