«ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА Программа фундаментальных исследований Президиума РАН №29 Отчет за 2005 г. 3 РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Программа фундаментальных исследований Президиума РАН N29 ...»

Российская Академия Наук

«ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА»

Программа фундаментальных исследований

Президиума РАН №29

Отчет за 2005 г.

3

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

Программа фундаментальных исследований Президиума РАН N29

«Электромагнитные волны терагерцового диапазона»

Отчет за 2005 г.

ОРГАНИЗАЦИИ – ИСПОЛНИТЕЛИ:

Институт физических проблем им. П.Л.Капицы РАН, Москва Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород Институт физики микроструктур РАН, Нижний Новгород Институт радиотехники и электроники РАН, г. Москва Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН, Москва Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН, Новосибирск Координатор программы, Председатель Научного совета программы, Академик Г.Н.Кулипанов Ученый секретарь Научного совета программы, Д.ф.-м.н. Б.А.Князев Новосибирск В последнее десятилетие наблюдается резкий рост числа фундаментальных и прикладных работ в области генерации и применения излучения в интервале длин волн от мкм до 0,3 мм, что соответствует частотному диапазону 10 – 1 ТГц. Эта область лежит между фотоникой и электроникой, перекрываясь с длинноволновым далеким инфракрасным излучением и высокочастотными миллиметровыми волнами. За последние годы появился целый ряд новых типов источников терагерцового излучения от милливаттных генераторов субпикосекундных импульсов широкополосного излучения на основе фемтосекундных лазеров до лазеров на свободных электронах, генерирующих перестраиваемое узкополосное когерентное излучение со средней мощностью до сотен ватт.

Интерес к терагерцовому излучению обусловлен следующими его свойствами:

- это неионизирующее излучение (энергия фотонов 0,04 – 0,004 эВ);

- это излучение хорошо проходит через мутные среды и мелкодисперсные материалы из-за резкого подавления рэлеевского рассеяния (1/4);

- это область вращательных спектров молекул, колебаний биологически важных коллективных мод ДНК и белков, колебаний твердотельной плазмы;

- это область водородных связей и вандерваальсовских сил межмолекулярного взаимодействия;

- энергия фотонов терагерцового излучения лежит в области энергетической щели сверхпроводников;

До недавнего времени источники терагерцового излучения были в небольших количествах в физических лабораториях и почти полностью отсутствовали в химических, биологических и медицинских лабораториях. Создание лазеров на свободных электронах, как источников терагерцового излучения, позволило создать на их базе центры коллективного пользования в США, Голландии и Японии, которые используются учеными разных специальностей. Созданы национальные программы использования терагерцового излучения в США, Японии и Европе.

Использование Новосибирского лазера на свободных электронах в качестве терагерцового источника излучения позволяет:

- плавно перестраивать длину волны излучения в диапазоне 200-30 микрон с монохроматичностью лучше 0,3%;

- иметь большую среднюю мощность (до 400 Вт);

- иметь короткие импульсы излучения (меньше 100 пс);

- иметь большую пиковую мощность (0,5 – 1 МВт);

- иметь полностью пространственно когерентный источник с длиной продольной когерентности ~2 см.

Однако эффективное использование лазера на свободных электронах сталкивается с проблемой детекторов (одно- и двухкоординатных), монохроматоров, оптических элементов (выходные окна, поляризаторы, фокусирующие зеркала, линзы). Причем, практически мало что можно купить по каталогам в российских и зарубежных фирмах, оборудование необходимо разрабатывать и изготавливать самим экспериментаторам.

Целью Программы Президиума РАН №29 «Электромагнитные волны терагерцового диапазона» было:

- Объединение институтов РАН, создающих различные источники излучения;

- Информирование научного сообщества о возможностях российских источников терагерцового излучения и экспериментальной технике;

- Междисциплинарное образование;

- Выявление новых научных возможностей при обсуждении результатов последних экспериментов.

2.1. ИСТОЧНИКИ ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Разработка оротронов субмиллиметрового диапазона.

А.Э. Федотов, В.Л.Братман, В.А.Гинцбург (Институт прикладной физики РАН), Ф.С.

Русин (ФГУП "ВНИИФТРИ") Разработка импульсных и непрерывных гиротронов диапазона 0.3-1.0 ТГц.

Гачев И.Г., Глявин М.Ю., Денисов Г.Г., Запевалов В.Е., Засыпкин Е.В., Братман В.Л., Калынов Ю.К., Мануилов В.Н., Самсонов С.В. (Институт прикладной физики РАН) Параметрическая генерация излучения терагерцового диапазона в полупроводниковых лазерных диодах и волноводах.

Генерация терагерцового излучения путем умножения частоты на полупроводниковых структурах.

Проект второй очереди лазера на свободных электронах на область 3 – 10 ТГц.

Оптические методы генерации когерентных сверхширокополосных терагерцовых импульсов Р.А.Ахмеджанов, А.И.Корытин, А.Г.Литвак, С.В.Мишакин, А.М.Сергеев, Е.В.Суворов, М.В.Царев (Институт прикладной физики РАН)

2.2. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА

Разработка и создание сверхпроводниковых элементов и интегральных приемных устройств с рабочими частотами до 1 ТГц.

Исследование и разработка технологии высокоскоростного выращивания поликристаллических алмазных пленок и пластин, основанной на использовании газового разряда в пучках миллиметровых волн (CVD-технология).

Субмиллиметровый матричный радиометр на высокочувствительных болометрах.

А.Н. Выставкин, С.В. Шитов, А.Г. Коваленко, С.А. Ковтонюк, А.В. Пестряков (Институт радиотехники и электроники РАН), В.Ф. Вдовин, В.Г. Перминов (Институт прикладной физики РАН) Разработка и исследование сверхвысокочувствительного болометра терагерцового диапазона на разогреве электронов в нормальном металле отражением при сверхнизких температурах.

2.3. РАЗРАБОТКА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ОСНОВ ПРИЛОЖЕНИЙ

ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Высокочувствительный сверхпроводниковый анализатор спектра субмиллиметрового диапазона длин волн для радиоастрономии и атмосферных исследований.

Разработка высокочувствительных спектрометров терагерцового диапазона на основе эффекта когерентного спонтанного излучения В.Л. Вакс, А.Н. Панин, С.И. Приползин, С.Д. Никифоров, Д.Г. Павельев, Ю.И. Кашуринов (Институт физики микроструктур РАН, Нижний Новгород) Применение нестационарной (time-domain) спектроскопии c использованием сверхширокополосных когерентных терагерцовых импульсов в интересах экологии, медицины и безопасности Р.А.Ахмеджанов, И.Е.Иляков, А.И.Корытин, А.Г.Литвак, А.С.Постникова, Е.В.Суворов, Б.В.Шишкин (Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород) Использование высокочастотной динамической поляризации ядер для повышения чувствительности высокополевого ЯМР.

В.Л. Братман, А.Э. Федотов, А.В. Савилов, К.И. Рыбаков (Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород), Б.С.Думеш (Институт спектроскопии РАН, г. Троицк Московской области) Проектирование, изготовление и монтаж канала вывода терагерцового излучения из лазера на свободных электронах.

Генерация поверхностных плазмонов терагерцовым излучением ЛСЭ и определение их эффективного показателя преломления.

Г. Н. Жижин, А. К. Никитин, Г. Д. Богомолов, В. В. Завьялов (Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН, Москва, Институт физических проблем им.П.Л.Капицы РАН, Москва)

3. ПЕРВОЕ РАБОЧЕЕ СОВЕЩАНИЕ «ГЕНЕРАЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ

ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ», 24 – 25 НОЯБРЯ 2005 Г., НОВОСИБИРСК Настоящий отчет содержит результаты работ по Программе фундаментальных исследований Президиума РАН №29 за 2005 г. В рамках Программы выполнялись научно-исследовательских исследовательских проектов, по трем основным направлениям.

1. ИСТОЧНИКИ ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Первая группа из шести проектов была посвящена разработке источников терагерцового диапазона. Создание источников терагерцового излучения различного типа, отличающихся по спектру, мощности и режиму работы, является одной из важнейших задач, обеспечивающей дальнейшее развитие этой области науки и эффективность ее приложений.

Поскольку терагерцовый диапазон лежит между областями электроники и фотоники, в нем оказывается возможным использовать методы генерации излучения, характерные для обоих спектральных интервалов. Так, в проектах 1.1, 1.2 и 1.5 разрабатываются источники на основе электронных пучков, тогда как в проектах 1.3, 1.4 и 1.6 использованы методы генерации излучения, характерные для оптики.

2. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА

Вторая группа проектов посвящена разработке элементной базы и технологиям, обеспечивающим возможность развития терагерцовой науки и технологий. Прежде всего, это детекторы терагерцового излучения, как одноэлементные, так и матричные (работы 2.1, 2.3 и 2.4). Другим очень важным достижением является разработка технологии выращивания искусственных алмазов, что дает возможность выводить мощное терагерцовое излучение из источников и использовать их для разделения сред в технологических устройствах.

3. РАЗРАБОТКА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ОСНОВ ПРИЛОЖЕНИЙ ТЕРАГЕРЦОВОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ

Третья группа проектов посвящена применению терагерцового излучения для исследования свойств материалов и разработке технологий и методов измерений, основанных на использовании терагерцового излучения.

Исследования проводились силами сотрудников институтов – участников проекта, а также других организаций, а именно:

- Институт ядерной физики им.Г.И.Будкера СО РАН, Новосибирск ( Проекты 1.5 и 3.5);

- ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений» (п/о Менделеево Московской области) (Проекты 1.1 и 3.4);

- Белорусский государственный университет, Минск (Проект 1.3);

- Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского государственного университета, Нижний Новгород (Проект 1.3);

- Институт спектроскопии РАН (г.Троицк Московской области) (Проект 3.4).

Результаты работ опубликованы в статьях и докладах, представленных на научных конференциях, список которых дан в каждом из индивидуальных отчетов. Кроме того, результаты работ, выполненных в рамках данной программы, были представлены на Первом рабочем совещании «Генерация и применение терагерцового излучения»

(Новосибирск, ИХКиГ СО РАН, 24 – 25 ноября 2005 года), где были заслушаны и обсуждены 22 доклада, охватывающие как все темы, входящие в Программу, так и целый ряд исследований, выполненных вне рамок Программы.

2. ОТЧЕТЫ ПО ПРОЕКТАМ

2.1. ИСТОЧНИКИ ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Проект 1.1. Разработка оротронов субмиллиметрового диапазона А.Э. Федотов1, В.Л. Братман1, В.А. Гинцбург1 Ф.С. Русин ФГУП "ВНИИФТРИ", п/о Менделеево Московской обл.

Разработаны и исследованы импульсные низковольтные оротроны диапазона частот 0,1-0,3 ТГц с выходной мощностью 0,1-1 Вт. Продемонстрирована возможность работы в непрерывном режиме на частоте 140 ГГц с выходной мощностью 200 мВт.

Разработан оротрон, рассчитанный на работу в диапазоне частот 0,2-0,4 ТГц. Проведено экспериментальное исследование этого генератора в длинноволновой части диапазона.

Методом электроэрозии созданы периодические структуры с периодом 90 мкм для оротронов с частотами до 0,45 ТГц. Начато изготовление структур с периодом 140 и 70 мкм перспективным методом направленного травления. Предложено использовать в оротроне клинотронный режим (с наклонным падением электронного пучка на периодическую структуру), разработана теория такого прибора. В релятивистском оротроне получено излучение мегаваттного уровня мощности на частоте 150 ГГц.

Как и в лазерах, использование открытого резонатора в оротроне позволяет смягчить проблемы, возникающие при укорочении длины волны излучения. По сравнению с традиционными вакуумными приборами, основанными на черенковском излучении электронов, в оротроне благодаря селекции мод можно использовать более широкие и менее плотные электронные пучки. Подобные компактные источники давно применяются для ряда приложений в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах, прежде всего, в области спектроскопии, обеспечивая более высокие мощность и стабильность излучения, чем широко используемые лампы обратной волны (ЛОВ).

Согласно расчетам, при дальнейшем усовершенствовании оротроны могут достаточно эффективно работать во всем субмиллиметровом диапазоне.

Действие оротрона основано на стимулированном излучении Смита-Парселла прямолинейного электронного пучка в открытом двухзеркальном резонаторе. Как правило, резонатор оротрона состоит из вогнутого и плоского зеркал. На поверхность плоского зеркала нанесена периодическая структура, создающая медленные пространственные гармоники высокочастотного поля моды открытого резонатора.

Электроны фокусируются ведущим магнитным полем и двигаются вблизи периодической структуры, взаимодействуя с одной из медленных пространственных гармоник поля резонатора в условиях синхронизма черенковского типа Здесь v – скорость электронов, – циклическая частота собственного колебания h = 2 d – продольное волновое число медленной пространственной резонатора, гармоники поля, d – продольный (в направлении движения электронов) период структуры.

Рис. 1. Схема нерелятивистского оротрона с периодической структурой типа «гребенка». – катод, 2 – электронный пучок, 3 – коллектор, 4 – плоское зеркало с периодической структурой, 5 – вогнутое зеркало, 6 – выходной волновод.

Как и в других СВЧ приборах с медленными волнами, амплитуда синхронной с электронами гармоники поля спадает при удалении от поверхности структуры на масштабе где = 1 – релятивистский фактор электронов. В слаборелятивистском случае масштаб спадания L много меньше длины волны излучения. Формула (2) определяет расстояние от электрона до поверхности структуры, при котором взаимодействие остается достаточно сильным. Согласно (2), на коротких волнах при невысоких ускоряющих напряжениях медленная гармоника поля сильно прижата к плоскому зеркалу.

Соответственно, при распространении пучка над периодической структурой, например, над «гребенкой», обычно мала доля электронов, эффективно взаимодействующих с ВЧ полем. Эффективность использования электронного пучка существенно увеличивается в более сложных, чем «гребенка» периодических структурах, например, многорядных и многоштыревых, при использовании которых электроны двигаются внутри структуры.

При этом каждый продольный (вдоль направления движения пучка) ряд штырей работает как отдельная периодическая структура, и около каждого такого ряда существует тонкий слой электронов, движущихся в относительно сильном поле медленной синхронной волны. В результате значительная часть частиц отдает заметную энергию высокочастотному полю. Вместе с тем, в подобных системах по сравнению с гребенкой возрастает число электронов, осаждающихся на элементы структуры, особенно на ближние к катоду ряды штырей. Это значительно увеличивает тепловую нагрузку на них, что особенно существенно с учетом трудности отвода тепла по тонкому (несколько десятков микрон) штырю. Кроме того, изготовление подобных структур с необходимыми при небольших напряжениях малыми периодами (0,15 мм и менее) сопряжено с определенными технологическими проблемами.

Экспериментальное исследование низковольтных оротронов К настоящему времени разработана и экспериментально исследована серия оротронов импульсного действия с длиной волны от 2,5 до 0,8мм. Все приборы имеют единую конструкцию и технологию изготовления (рис. 2).

В оротронах используются многоштыревые периодические структуры (рис. 3) с периодом 100-170 мкм и высотой штырей 600-700 мкм. Для увеличения механической прочности системы поперечные ряды штырей скреплены между собой вверху тонкими «крышами», практически не влияющими на распределение высокочастотного поля. Технология изготовления таких структур основана на электроэрозионной нарезке многослойного Рис.2. Оротрон миллиметрового-субмиллиметрового диапазона длин волн.

«сэндвича», составленного из медной и алюминиевой фольг и скрепленного при помощи гальванопластики. К настоящему времени эта технология позволяет получать структуры с периодом до 90 мкм. Полная длина периодической системы вдоль линии движения электронов составляет 16,5 мм. В качестве вогнутого зеркала открытого резонатора используются зеркала с двумя сферическими и цилиндрическим участками, позволяющие создать продольное распределение высокочастотного поля в пространстве взаимодействия, благоприятное с точки зрения уменьшения стартового тока (по сравнению с зеркалами квадратичного профиля). Рабочее напряжение генераторов составляет 500 В - 4500 В при длительности импульса 50 нс -10 мс. В оротронах используются термокатоды компании «Исток», создающие плотный электронный пучок с поперечными размерами 0,3 мм 3 мм и током до 400 мА. Для транспортировки электронного пучка внутри периодической структуры прикладывается магнитное поле величиной 1,25 Тл. Для всех разработанных оротронов используются одинаковые магнитные системы, выполненные из сплава NdFeB, с зазором 32 мм и неоднородностью поля в пространстве транспортировки пучка (на длине 20 мм) менее 1,5 %. Вес прибора, пакетированного с постоянным магнитом, составляет23 кг. Вывод излучения из резонатора осуществляется через 4 мм волновод, который запитывается через щели в поверхности вогнутого зеркала. В качестве вакуумного окна используется стеклянная пленка толщиной около 50 мкм, обеспечивающая малый коэффициент отражения во всем диапазоне генерации.

Рис. 3. Схема многоштыревой периодической структуры оротрона.

Параметры разработанных в 2005 году в рамках проекта оротронов приведены в Табл. 1. В эксперименте с оротроном со структурой периодом 140 мкм получено излучение в диапазоне ускоряющего напряжения 0,8-5,5 кВ, что соответствует диапазону перестройки частоты 140-310 ГГц. Мощность генерации в длинноволновой части диапазона оценивалась по показаниям калиброванного полупроводникового детектора и составляла 200-400мВт на частоте 180 ГГц.

Более мощный оротрон реализован на основе структуры с периодом 170 мкм. При его экспериментальном исследовании получено излучение в широком диапазоне частот 90-190 ГГц (рис.4а). Измерение мощности излучения проводилось в длинноволновой части диапазона при помощи калориметра в режиме со скважностью 10, а в коротковолновой части – при помощи калиброванного полупроводникового детектора.

Измеренная выходная мощность (рис. 4б) составила 0,1-0,6 Вт при токе 135 мА и длительности импульсов 3-10 мс. Более высокая мощность 1 Вт была получена на частоте 180 ГГц при токе 200 мА и длительности импульсов генерации 4-10 мкс. В эксперименте получены также короткие СВЧ-импульсы длительностью 0,05 -1 мкс с перестройкой частоты в пределах 2-30 МГц. Величина перестройки частоты определялась по ширине спектра излучения оротрона. Кроме того, для данного прибора реализован режим непрерывной генерации на частоте 140 Ггц с выходной мощностью до 200 мВт.

Рис. 4. Измеренная зависимость стартового тока (а) и выходной мощности (б) от частоты излучения для оротрона с периодом структуры 170 мкм.

В рамках проекта разработан и изготовлен также оротрон с периодом структуры 90 мкм, рассчитанный на работу в диапазоне частот 0,2-0,45 ТГц. К настоящему времени проведено экспериментальное исследование этого генератора в длинноволновой части диапазона. на частотах до 200 ГГц. На сегодняшний день этот прибор использует структуру с самым коротким периодом из исследовавшихся в эксперименте. Данная структура создана традиционным методом электроэрозии. Начато изготовление структур с периодом 140 и 70 мкм перспективным методом направленного травления (LIGA), обеспечивающим необходимую точность изготовления.

Предложено использовать в оротроне клинотронный режим взаимодействия. В этом режиме электроны двигаются под углом к гребенчатой периодической структуре и постепенно осаждаются на нее (рис. 5). Преимуществами такого режима является использование более простых в изготовлении (по сравнению с многоштыревыми) периодических структур, более высокий КПД взаимодействия (поскольку все электроны двигаются в почти одинаковом по амплитуде СВЧ поле) и более слабые требования к величине и однородности магнитного поля. Кроме того, при такой схеме взаимодействия тепловые нагрузки равномерно распределены по поверхности структуры, в отличие от традиционного режима, в котором значительная часть электронов осаждается на ближайший к катоду ряд штырей.

Разработана теория клинотронного режима взаимодействия. Минимальная плотность стартового тока определяется формулой jst = 105 A, где – потери волны при обходе резонатора. Рассчитаны параметры демонстрационного генератора на частоту 90 ГГц, который может быть выполнен с использованием существующей конструкции оротрона.

Стартовый ток прибора 70-100 мА. При токе 250 мА электронный КПД равен 8% при выходной мощности 5-10 Вт, что более чем на порядок превосходит эти параметры для традиционного режима.

Значительно более высокая мощность излучения (до мегаватт) может быть получена в оротроне при увеличении ускоряющего напряжения. В рамках проекта исследовался релятивистский оротрон на электронном пучке наносекундной длительности с энергией частиц 500 кэВ, током 500 А и мощностью мегаваттного уровня на частоте 150 ГГц. Электродинамическая система этого генератора представляет собой открытый двухзеркальный резонатор с дифракционным выводом излучения. В эксперименте получен стабильный плоский электронный пучок с энергией частиц 300- кэВ и током в сотни ампер толщиной менее 1 мм, который без поворота проходит на достаточно малом расстоянии от периодической системы оротрона. При использовании такого пучка в релятивистском оротроне получена рекордно короткая длина волны излучения 2 мм. При этом наблюдались два различных режима генерации: ожидавшийся режим одночастотной оротронной генерации с мощностью порядка 1 МВт и режим совместной генерации «паразитного» поверхностного пи-колебания на длине волны 4 мм и вынужденного возбуждения образовавшимися электронными сгустками оротронной моды на второй гармонике этого колебания, т.е. с той же длиной волны излучения 2 мм, что и в первом режиме, но с существенно большей мощностью излучения.

1. V.L. Bratman, I.V. Bandurkin, B.S. Dumesh, A.E. Fedotov, Y.K. Kalynov, N.G. Kolganov, V.N.

Manuilov, F.S. Rusin, S.V. Samsonov, and A.V. Savilov, “Sources of Coherent Terahertz Radiation,” proceedings of the 7-th International High Energy Density and High Power RF Workshop, Kalamata, Greece, 13-17 June 2005 (in print).

2. В.Л. Братман, В.А. Гинцбург, Ю.А. Гришин, Б.С. Думеш, Ф.С. Русин, А.Э. Федотов «Импульсные широкодиапазонные оротроны миллиметровых и субмиллиметровых волн», Известия вузов. Радиофизика, 2006 (в печати).

Проект 1.2. Разработка импульсных и непрерывных гиротронов Гачев И.Г., Глявин М.Ю., Денисов Г.Г., Запевалов В.Е., Засыпкин Е.В., Братман В.Л., Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород Для освоения терагерцового диапазона на высоком уровне мощности развиты три перспективных разновидности гироприборов с частотами генерации 0,29-0,41 ТГц:

- традиционный гиротрон на основном циклотронном резонансе с полем 11 Т, обеспечиваемым «сухим» криомагнитом (частота 0,3 ТГц, мощность излучения кВт в непрерывном режиме), - гиротрон с большой орбитой на третьей циклотронной гармонике (частоты 0,37ТГц, мощность до 20 кВт в режиме микросекундных импульсов), - гироумножитель с самовозбуждающейся входной секцией (частота 0,28 ТГц, мощность 30 Вт в непрерывном режиме).

Кроме того, разработан гиротрон на основном циклотронном резонансе на частоту генерации 1 ТГц с импульсным полем до 40 Тл. Разработанные методы открывают возможности для создания эффективных и доступных многим лабораториям мощных гироприборов терагерцового диапазона.

Гиротрон – это СВЧ генератор, основанный на стимулированном циклотронном излучении электронов, движущихся по винтовым траекториям в однородном магнитном поле и поле открытого резонатора. Гиротроны были предложены и развиты, главным образом, в Институте прикладной физики РАН. В гиротронах электроны взаимодействуют с быстрыми волнами, и поэтому для их реализации нет необходимости в электродинамических системах с мелкомасштабными элементами, а электроны могут двигаться вдали от стенок электродинамической системы. Благодаря этому, в гиротронах получены огромные мощности излучения в непрерывном и квазинепрерывном режимах:

до 1 МВт на частоте 0,17 ТГц. Следует отметить, что и по частоте в демонстрационных экспериментах уже удавалось продвигаться довольно далеко в субмиллиметровый диапазон: так, в ИПФ в начале 1970-х было получено 1,5 кВт в непрерывном режиме на 330 ГГц, а в начале 1980-х - 40 кВт на 0,65 ТГц в импульсах длительностью 100 мкс.

В настоящее время в целях создания сравнительно доступных субмиллиметровых гиротронов в ИПФ исследуются традиционные гиротроны, работающие на основном циклотронном резонансе и второй циклотронной гармонике (s=1,2; s – номер рабочей циклотронной гармоники), Гиротроны с Большой Орбитой (ГБО) на более высоких циклотронных гармониках (s=3-5), а также гироумножители (s=3-5). Привлекательность работы на высоких гармониках очевидна: для нее требуется в s раз меньшее рабочее магнитное поле.

Традиционный гиротрон на основном циклотронном резонансе с частотой 0,3 ТГц и мощностью 3 кВт в непрерывном режиме генерации Для реализации гиротрона на частоту 0,3 ТГц (длина волны 1 мм) при работе на основном циклотронном резонансе требуется поле около 11 Тл. При наличии криомагнитов с сильным полем можно перенести в субмиллиметровый диапазон хорошо разработанные приемы реализации гиротронов миллиметрового диапазона. Необходимый криомагнит («сухой», т.е. без жидкого гелия) на 12 Тл имеется у наших партнеров в японском Центре исследований в области дальнего ИК диапазона, г. Фукуи. В ИПФ разработан, изготовлен и в совместной работе испытан в г. Фукуи гиротрон на 0,3 ТГц с выходной мощностью более 3 кВт в непрерывном режиме генерации (из-за несовершенства измерительной нагрузки померить пока удалось лишь до 1 кВт ). Этот гиротрон уже используется в экспериментальном комплексе для материаловедческих исследований. При работе на второй циклотронной гармонике планируется, используя тот же криомагнит, реализовать гиротрон с частотой 0,4 Тгц и мощностью 0,2 кВт в непрерывном режиме.

Рис. 1. Сверхпроводящий «сухой» (без жидкого гелия) магнит на поле 12 Тл и гиротрон на частоту 0,3 ТГц с встроенным квазиоптическим преобразователем рабочей моды TE22,8 в гауссов волновой пучок.

2. Разработка традиционного импульсного гиротрона на 1 ТГц Импульсные гиротроны с очень сильным магнитным полем, разработанные в ИПФ в начале 1980-х г.г., обеспечили огромную мощность излучения до 40 кВт на максимальной частоте излучения 0,65 ТГц. В настоящее время техника получения сильного поля усовершенствована, изготовлен и испытан импульсный магнит с охлаждением и термостабилизацией жидким азотом на поле до 40 Тл при длительности импульсов 2,5 мс, которого достаточно для получения частот генерации выше 1 ТГц.

Изготовлен соленоид с минимально возможным диаметром в котором намотка осуществлена медной трубкой, для механической прочности армированной изнутри многожильным композитным кабелем и покрытой снаружи изолирующей эмалью (рис. 2).

Соленоид успешно испытан до максимального проектного поля 40 Тл, гиротрон на 1 ТГц с таким соленоидом (рис.2) изготовлен и проходит технологическую доводку.

Рис. 2. Импульсный магнит с охлаждением и термостабилизацией жидким азотом на поле 40 Тл (длительность импульсов 2,5 мс). Импульсный гиротрон на частоту генерации 1 ТГц.

3. Гиротроны с Большой Орбитой (ГБО) на высоких циклотронных гармониках Получение сильных магнитных полей, необходимых для работы гиротронов на основном циклотронном резонансе и второй циклотронной гармонике, является довольно сложной технической задачей. В связи с этим, для освоения гиротронами терагерцового диапазона приобретают особую привлекательность гироприборы, работающие на более высоких циклотронных гармониках. Создание таких приборов, вообще говоря, очень сильно осложняется возникающей конкуренцией со стороны мод, резонансных основной и второй циклотронным гармоникам. Одним из известных методов повышения селективности при возбуждении высоких гармоник является использование конфигурации так называемого Гиротрона с Большой Орбитой (ГБО). В отличие от традиционного гиротрона, в ГБО используется не поливинтовой электронный пучок, в котором электроны каждой ларморовской трубки двигаются поступательно вдоль магнитного поля и одновременно вращаются вокруг оси, смещенной от оси резонатора, а моновинтовой пучок электронов, обращающихся вокруг оси резонатора (рис. 3). Благодаря такой симметрии, электроны идеально тонкого и идеально съюстированного электронного пучка могут возбуждать лишь моды, у которых азимутальный индекс совпадает с номером резонансной циклотронной гармоники. Это сильное правило отбора значительно прорежает спектр паразитных мод и делает возможным селективное возбуждение высоких циклотронных гармоник. В наших экспериментах в коротковолновой части миллиметрового диапазона удавалось селективно возбуждать циклотронные гармоники с номерами 3, 4 и 5. Правда, при переходе в субмиллиметровый диапазон из-за больших омических потерь приходится переходить к модам с большими радиальными индексами, что вновь осложняет дискриминацию паразитных мод. В реализованном в рамках проекта ГБО поэтому удавалось селективно возбуждать лишь гармоники с максимальным номером 3, работая на модах TE35, TE38 и TE39.

Рис. 3. Традиционный гиротрон с поливинтовым электронным пучком и Гиротрон с Большой Орбитой, в котором используется моновинтовой пучок электронов, совершающих ларморовское вращение вокруг оси электродинамической системы.

Основная проблема при реализации ГБО связана с созданием электроннооптической системы, формирующей приосевой электронный пучок. В реализованном ГБО использовалась квазипирсовская пушка с магнитным сопровождением электронов, в которой формировался прямолинейный пучок. Затем первоначальная вращательная скорость сообщалась частицам в кикере, образованном прямолинейными катушками с током. Вращательная скорость увеличивалась до рабочего значения в нарастающем магнитном поле (рис. 4).

Рис. 4. Схема электронно-оптической системы с распределением магнитостатического поля в ней и фото ГБО на энергию электронов 250 кэВ и частоты излучения 0,12-0,41 ТГц.

Рис. 5. Традиционная схема гироумножителя с внешним сигналом и реализуемая новая схема с самовозбуждающейся выходной секцией.

Рис. 6. Схема и фото двухрезонаторного гироумножителя с самовозбуждающейся входной секцией.

Исследования ГБО проходили на высоковольтном стенде ИПФ (рис. 4), где формировался очень плотный электронный пучок с энергией частиц до 250 кэВ и током до 4 А в импульсах длительностью 10 мкс при частоте повторения до 1 Гц. Плотность прямолинейного пучка достигала 20 кА/cм2. Магнитное поле в резонаторе достигало величины 7 Тл. В эксперименте в одном генераторе при изменении магнитного поля и параметров электронного пучка получена селективная генерация на отдельных частотах на основном циклотронном резонансе, а также на второй и третьей циклотронных гармониках. Полный диапазон генерируемых частот в одном ГБО 0,12-0,41 ГГц. На расчетных модах TE35, TE38 и TE39 при работе на 3-ей циклотронной гармонике получена мощность излучения 8-20 кВт. С учетом опыта, полученного в ходе работы над реализованным ГБО, спроектирован и частично изготовлен новый ГБО на частоту генерации 1 ТГц, рассчитанный на работу при значительно более низком рабочем напряжении 80 кВ, которое типично для мощных гиротронов миллиметрового диапазона.

4. Гироумножитель с самовозбуждающейся входной секцией Другим методом повышения селективности при возбуждении высоких гармоник является использование гироумножителей. Однако при получении генерации в терагерцовом диапазоне на этом пути возникает сложность с реализацией достаточно простого источника входного сигнала. Поэтому привлекательными представляются варианты гироумножителей без входного сигнала, в которых используется самовозбуждающийся на основном циклотронном резонансе входной резонатор и настроенный на высокую гармонику второй резонатор (рис. 5, 6).

Следует подчеркнуть, что при кажущейся простоте рассматриваемой схемы ее реализация представляет немало сложностей. Прежде всего, учитывая большие добротности резонаторов, очевидны проблемы, связанные с необходимостью точной подстройки их частот. Кроме того, в указанной простейшей схеме заметная эффективность возбуждения высокой гармоники достигается лишь при работе входного резонатора вблизи стартового режима. В противном случае (при значительном превышении порога), максимум группировки на высокой гармонике достигается в первом резонаторе, а во второй резонатор поступает пучок с малой степенью группировки.

В эксперименте использовался пучок с энергией частиц 23 кэВ и током 0,3 А. В качестве рабочих использовались мода TE01 в первом резонаторе и мода TE03 во втором резонаторе. В непрерывном режиме генерации на частоте 0,285 ТГц получена мощность излучения 30 Вт.

1. V.E. Zapevalov, V.K. Lygin, O.V. Malygin, M.A. Moiseev, V.P. Karpov, V.I. Khizhnjak, E.M. Tai, T. Idehara, I. Ogawa, S. Mitsudo. Development of the 300GHz/4kW/ CW Gyrotron, 6th International Vacuum Electronics Conference, IVEC, 20-22 April 2005, Huis ter Duin, Nordwijk, The Netherlands, p.121-122.

2. H. Hoshizuki, K. Matsuura, S. Mitsudo, T. Idehara, V.E. Zapevalov, O.V. Malygin, V.I. Khizhnjak, T. Ueda, M. Furuiti, A. Kitano, H. Nishi and J. Ishibashi. Development of the material processing system by using a 300 GHz gyrotron. The 30-th Int. Conference on Infrared and Millimeter Waves and 13-th Int. Conference on Terahertz Electronics, 2005, Sept.19- Sept.23 Williamsburg, Virginia, Conference Digest, p.375-376.

3. A.G. Luchinin, M.Yu. Glyavin, V.A. Malyshev, “Development of a THz gyrotron based on high field intensity pulse magnet”, proceedings of the 6th International Workshop “Strong Microwave in Plasmas 2005”.

4. И.В. Бандуркин, В.Л. Братман, А.В. Савилов, «Умножение частоты в автогенераторах гиротронного типа», ПЖТФ, Т. 32, вып. 2, 2006, С. 72-78.

5. V.L. Bratman, I.V. Bandurkin, B.S. Dumesh, A.E. Fedotov, Y.K. Kalynov, N.G. Kolganov, V.N.

Manuilov, F.S. Rusin, S.V. Samsonov, and A.V. Savilov, “Sources of Coherent Terahertz Radiation,” proceedings of the 7-th International High Energy Density and High Power RF Workshop, Kalamata, Greece, 13-17 June 2005.

6. I.V. Bandurkin, V.L. Bratman, G.G. Denisov, A.V. Savilov, “Frequency multiplication in gyrooscillators,” proceedings of the 6th International Workshop “Strong Microwave in Plasmas 2005”.

7. I.V. Bandurkin, V.L. Bratman, A.V. Savilov, “New schemes of gyro-devices with frequency multiplication," proceedings of the Joint 30th International Conference on Infrared and Millimeter Waves & 13th International Conference on Terahertz Electronics IRMMW-THz 2005, pp. 377-378.

I.I. Antakov, I.G. Gachev, G.G. Denisov, V.K. Lygin, E.V. Zasypkin., Development and experimental study of a two-cavity 285 GHz CW gyrotron-multiplier// Proceedings of the 6th International Workshop “Strong Microwaves in Plasmas”, July 2005 (in press).

Проект 1.3. Параметрическая генерация излучения терагерцового диапазона в полупроводниковых лазерных диодах и волноводах В.Я.Алешкин1, A.A. Афоненко2, А.А.Бирюков3, А.А. Дубинов1, В.И.Гавриленко1, Вл.В.Кочаровский4, К.В.Маремьянин1, С.В.Морозов1, С.М.Некоркин3, Б.Н.Звонков Институт физики микроструктур РАН, Нижний Новгород Белорусский государственный университет, Минск Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского государственного университета, Нижний Новгород Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород В работе рассматривается возможность создания источников излучения терагерцового и мультитерагерцового диапазонов, в которых будет реализована параметрическая генерация разностной гармоники в двухчастотных лазерах ближнего ИК диапазона (длина волны около 1мкм.), работающих при температурах вплоть до комнатной, на основе гетероструктур с квантовыми ямами InGaP/InGaAs/GaAs (за счет решеточной нелинейности второго порядка, связанной с отсутствием центра инверсии в решетке GaAs), а также во внешних полупроводниковых волноводах.

1. Предпосылки генерации разностной частоты в полупроводниковых лазерах и волноводах Полупроводниковые лазеры на GaAs являются перспективными приборами для использования нелинейных оптических явлений. Действительно, в резонаторе лазера интенсивность света очень велика, так что величина электрического поля составляет 104В/см. Кроме того, GaAs обладает большой нелинейной проницаемостью второго порядка (1.7х10-8см/В), которая в шесть раз выше, чем в часто используемом для наблюдения нелинейных эффектов кристалле LiNbO3. Для осуществления генерации разностной частоты необходимо решить две проблемы: 1) обеспечить накачку резонатора лазера или внешнего волновода двумя коротковолновыми модами, 2) обеспечить выполнение условие фазового синхронизма.

В настоящей работе был предложен и реализован способ накачки лазерного волновода двумя модами с различными частотами, и впервые наблюдалась генерация суммарной моды (пункт 2). Была теоретически рассмотрена возможность генерации во внешнем полупроводниковом волноводе на основе GaP (пункт 3), в котором удается выполнить условие фазового синхронизма.

2. Наблюдение параметрического взаимодействия мод в «двухчиповом» лазере с составным резонатором Для исследования нелинейного взаимодействия мод в резонаторе полупроводникового лазера была реализована конструкция «двухчипового» лазера с составным резонатором. Эта конструкция состояла из двух близко расположенных одночастотных лазерных чипов с несколько различающимися длинами волн генерации в области 1 мкм. Она позволяла заводить заметную часть стимулированного излучения одного из них в резонатор другого. В этом случае один из лазеров (более длинноволновый) используется только для накачки, а второй одновременно является нелинейным элементом. Такая конструкция имеет ряд преимуществ, связанных с раздельной накачкой каждого лазера, расширением диапазона для генерации разностной гармоники за счет независимого роста двух отдельных структур. Все вышеперечисленные преимущества данной конструкции позволили впервые получить, параметрическую генерацию суммарной гармоники, которая уверенно наблюдается при комнатной температуре [1-5].

Лазерные структуры InGaAs/GaAs/InGaP были выращены МОС-гидридной Рис.1. Расположение лазерных чипов относительно друг друга на одном теплоотводе. LD1 – длинноволновый лазер;

LD2 – коротковолновый лазер; 1 – верхний 1). Диоды располагались на теплоотводе контакт со стороны подложки LD1; 2 – подложкой вверх. Это обеспечило верхний контакт со стороны подложки LD2; выравнивание по высоте волноводов двух 3 – отражающая грань LD1; 4 – место диодов. Зеркало диода, генерирующего соединения просветлённой излучающей наиболее длинноволновое излучение, грани LD1 и отражающей грани LD2 без диэлектрического покрытия; 5 – излучающая грань LD2; 6 – структурные слои.

электрическую изоляцию между лазерами. Таким образом, каждый из лазеров имел независимую токовую накачку.

Для наблюдения излучения использовалось внешнее зеркало лазера, генерирующего более коротковолновое излучение. Лазерные чипы имели следующие размеры: длина 1000 мкм, ширина 400 мкм, толщина структуры 2 мкм. Ширина волноведущего слоя, определяемая шириной металлического контакта, составляла мкм. Спектры измерялись с помощью решеточного монохроматора МДР-23 при комнатной температуре.

Рис.2. Спектры генерации основных частот соотношение амплитуд пиков 1 и 2.

«двухчипового» лазера (T=300 K) взаимодействия двух мод ближнего ИК диапазона внутри лазерного резонатора и, как следствие, на возможность генерации разностной частоты. Поскольку наблюдение суммарной частоты значительно проще осуществить по сравнению с наблюдением разностной частоты, то такие эксперименты удобно использовать в качестве индикатора эффективности параметрического взаимодействия мод.

Исследование линейной поляризации вторых гармоник и суммарной гармоники показало, что они являются ТМ модами. В то же время, основные моды 1,2 являются ТЕ модами. Поляризационные исследования подтверждают, что генерация второй и суммарной гармоник происходит благодаря решеточной нелинейности. Поскольку излучение основных мод распространяется в резонаторах диодов вдоль направления [110], то решеточная нелинейность возбуждает электрическую индукцию вдоль направления [001], что соответствует возбуждению ТМ моды.

3. Генерация излучения на разностной частоте среднего и дальнего инфракрасных диапазонов в полупроводниковых волноводах на основе фосфида галлия Для генерации излучения в дальнем ИК диапазоне условие фазового синхронизма может быть выполнено в обычном диэлектрическом волноводе на основе GaP, в котором смешиваются две коротковолновые моды в области длины волны 1 мкм, без сложных конструкций необходимых при использовании волновода на основе GaAs. Причина этого состоит в том, что в GaP частотная дисперсия в области длин волн около 1 мкм из-за значительного удаления от края собственного поглощения не велика, и групповой показатель преломления (ng = 3.3–3.5), а вместе с ним и эффективный показатель преломления нелинейной поляризации nnl = ( n2 2 n11 ) ( 2 1 ), оказываются значительно меньше, чем в GaAs, где ng 4 (см. рис. 3).

Рис. 3. Частотные зависимости эффективного показателя преломления для нелинейной поляризации при взаимодействии высокочастотных волн в GaP nnl=(n22 поверхностной плазмонной моды.

n11)/(2-2) / при 1 = 0.95 мкм (1) и 0.97 мкм (3) и показателей преломления GaP (2) и Si (4).

разностной длинноволновой моды предлагается использование двух фундаментальных коротковолновых мод на частотах 1, 2, и поэтому интеграл перекрытия в поперечном направлении коротковолновых мод не мал (коротковолновые моды не ортогональны).

В случае, когда структура волновода (рис. 4) выращена на плоскости (001), а высокочастотные моды имеют TE-поляризацию и распространяются вдоль направления [110], нелинейная поляризация в GaР перпендикулярна плоскости слоев и возбуждает на разностной частоте TM-моду. В материалах со структурой цинковой обманки тензор нелинейной диэлектрической проницаемости второго порядка имеет равные и отличные от нуля компоненты с тремя разными индексами xyz) (в системе координат, где оси Х, Y, Z направлены вдоль кристаллографических направлений [100], [010], [001] соответственно).

Координатная зависимость напряженности магнитного поля генерируемой волны Hy при этом находится из следующего уравнения:

Координатная зависимость амплитуд электрического поля коротковолновых мод A1, A2 и разность их постоянных распространения kx = k2 - k1 находятся путем решения волнового уравнения с соответствующим профилем показателя преломления. Компонента электрического поля разностной моды Ez и ее мощность определяются из равенств:

Результаты расчетов мощности разностной моды для предложенной структуры, при мощности генерации коротковолновых мод 10 Вт в диапазоне 0.95 мкм, представлены на рис. 5. В расчетах наибольшая длина волны (1) для коротковолновых мод фиксировалась, при этом изменение длины волны разностной моды достигалось за счет изменения длины волны другой коротковолновой моды. Зависимость мощности от частоты разностной моды имеет большое число резонансных пиков. Каждый из них соответствует моде волновода. Такое большое число мод связано с большой шириной волновода (около 300 мкм). Из рисунка видно, что максимальная мощность в такой структуре будет только в дальнем ИК диапазоне излучения. Как видно из рис. 3, нелинейная проницаемость очень мала в районе 8.5 ТГц, поэтому и мощность на разностной частоте в этом диапазоне имеет провал. В области среднего ИК диапазона, где нелинейная проницаемость имеет максимум, также велико и поглощение излучения разностной моды на фононах, поэтому мощность намного меньше, чем в дальнем ИК диапазоне. А в более коротковолновой области среднего ИК диапазона уже не выполняется условие фазового синхронизма при использовании диэлектрического волновода.

Так как постоянная решетки у Si (aSi = 0.5431 нм) близка по величине к постоянной решетки GaP (aGaP = 0.54506 нм), то возможен рост GaP на кремниевой подложке. При этом показатель преломления в кремнии для среднего и дальнего ИК диапазонов больше, чем в GaP, поэтому условие фазового синхронизма выполняется и при использовании диэлектрического волновода в среднем ИК диапазоне. Кроме того, в нелегированном кремнии поглощение излучения в среднем и дальнем ИК диапазонах мало, поэтому можно получить значительно большие мощности (рис. 6).

Hy, arb. units Рис. 4. Зависимости от координаты магнитного поля разностной моды (сплошная кривая), а кривая на вставке) на частоте 1.8 ТГц для рассматриваемой структуры. Пунктирной линией на вставке показана амплитуда высокочастотных мод в условных единицах.

Слой 1 – воздух, слои 2 и 4 – GaP, слои 3 и 5 – AlP, слой 6 – металл. Толщина слоя 2 – 300 мкм, слоев 3, 4 и 5 – по 0.8 мкм. На вставке коротковолновых мод.

Power, mW Действительно, разностная волна будет распространяться в основном в кремниевой подложке, а взаимодействие высокочастотных мод будет происходить в выращенном на ней волноводе на основе GaP.

Расчет, выполненный с использованием формул (1) и (2), показал, что в планарном волноводе с шириной 100 мкм на подложке из Si при мощностях коротковолновых мод Вт мощность разностной моды может достигать до 5 мВт в области частот 10 – 14 ТГц, до 100 мкВт в области частот 3 – 8 ТГц и до 0.5 мВт в области частоты 19 ТГц при комнатной температуре.

1. С.М.Некоркин, А.А. Бирюков, К.В.Маремьянин, В.Я.Алешкин, С.В.Морозов, Вл.В.

Кочаровский. Материалы симпозиума «Нанофизика и Наноэлектроника», Нижний Новгород, 25-29 марта, 2005, с. 443-444.

2. С.В.Морозов, С.М.Некоркин, К.В.Маремьянин А.А.Бирюков, В.Я.Алешкин, В.И.Гавриленко, Б.Н.Звонков, Н.Б.Звонков, ВЛ.В.Кочаровский. Сборник статей 5-го Белорусско-Российского семинара «ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ И СИСТЕМЫ НА ИХ ОСНОВЕ», 1–5 июня 2005 г., Минск, Беларусь, с. 95-98.

3. K. V. Maremyanin, S. M. Nekorkin, A. A. Biryukov, S. V. Morozov, V.Ya. Aleshkin, V. I.

Gavrilenko and Vl. V. Kocharovsky. 13th Int. Symp. Nanosructures: Physics and Technology, St.Petersburg, Russia, 2005, p.106-107.

4. V.Ya.Aleshkin, A.A.Afonenko, A.A.Belyanin, A.A.Biryukov, A.A.Pubinov, V.V. Kocharovsky, Vl.V.Kocharovsky, S.V.Morozov, S.M.Nekorkin, M.O.Scully, B.N.Zvonkov and N.B.Zvonkov. 13th Int. Symp. Nanosructures: Physics and Technology, St.Petersburg, Russia, 2005, p.238-239.

5. К.В.Маремьянин, С.М.Некоркин, С.В.Морозов, А.А.Бирюков, В.Я.Алешкин, В.И.Гавриленко, Б.Н.Звонков, Н.Б.Звонков, Вл.В.Кочаровский. Тезисы докладов VII Российской конференции по физике полупроводников, Москва, 18-23 сентября 2005 г.

Проект 1.4. Генерация терагерцового излучения путем умножения частоты В.Л.Вакс, Н.В.Востоков, С.В.Гапонов, В.М.Данильцев, М.Н.Дроздов, Ю.Н.Дроздов, А.Ю.Климов, А.В.Масловский, А.В.Мурель, С.Д.Никифоров, В.В.Рогов, Ю.А.Чеченин, Институт физики микроструктур РАН, Нижний Новгород Показана перспективность использования: 1) низкобарьерных диодов Шоттки для чувствительных детекторов субтерагерцового диапазона частот; 2) матриц с торцевыми встречными диодами для создания мощного терагерцового умножителя; 3) искусственной среды на основе массивов металлических кластеров внедрённых в полупроводниковую матрицу для целей оптической генерации и преобразования ТГц-ИК излучения. Разрабатывается измерительный стенд для исследования характеристик приборов ТГц диапазона 1. Разработка принципов построения нелинейных и чувствительных элементов терагерцового диапазона Представлены результаты исследований и микроволновой диагностики низкобарьерных диодов Шоттки (рис. 1) и широкополосных детекторов на их основе, работающих без постоянного смещения. Измеренные значения чувствительности (> В/Вт) и пороговой мощности (Vg/3=1.21мВ. Скорее всего, диапазон определяется параметрами схемы, оптимизированными для полностью ниобиевых устройств. Для исследования этого вопроса была проведена серия расчетов с учетом различных значений лондоновской глубины проникновения L для Nb и NbN.

Известно, что лондоновская глубина проникновения NbN намного больше, чем у Nb (точные значения зависят от технологических процессов и т.д.). Для расчетов была использована модифицированная версия программы MCAD. С учетом всех промежуточных согласующих элементов между ФФО и СИС смесителем можно вычислить связь по мощности между ними. Для моделирования заметного уменьшения частот согласования надо положить значение этого параметра порядка 300 нм (что намного больше, чем традиционное значение 170-200нм, известное из литературы).

Возможно, необходимо также принимать в расчет некоторые дополнительные факторы.

Предварительные оценки показывают, что оптимизация конструкции микросхемы позволяет “скомпенсировать” даже такое значительное уменьшение fmax (см. рис. 3).

Частично оно было скомпенсировано толщиной изолирующего слоя и изменением площади СИС перехода, но большую часть компенсации обеспечил полный перерасчет всех согласующих структур. Мы планируем продолжить работу над этими вычислениями для получения схемы, оптимизированной с учетом параметров электрода из NbN.

Рис. 3. Расчетное согласование по мощности ФФО с СИС смесителем для оптимизированных схем с одним электродом из NbN (L=300 нм, см. вставку слева).

Отметим, что fmax больше 700 ГГц.

3. Разработка и исследование интегрального спектрометра в частотном диапазоне 500 – 700 ГГц.

В настоящее время, субмиллиметровые спектрометры представляют огромный интерес для радиоастрономии и мониторинга земной атмосферы. Большинство лучших современных спектрометров используют сверхмалошумящие СИС смесители при температуре жидкого гелия. СИС смеситель представляет собой тонкопленочный интегральный элемент микронных размеров, так что небольшая схема может содержать множество СИС переходов. Напротив, традиционные генераторы гетеродина, используемые вместе с СИС смесителями, являются полупроводниковыми устройствами, работающими при комнатной температуре. Этот подход делает сложной интегральную компоновку всей приемной системы. Для решения этой проблемы в ИРЭ РАН была разработана и экспериментально апробирована новая концепция субмиллиметрового сверхпроводникового интегрального приемника (СИП). СИП является устройством, содержащим СИС смеситель с квазиоптической антенной и сверхпроводящий гетеродин.

На первом этапе проекта была выработана концепция интегрального сверхпроводникового спектрометра для мониторинга атмосферы с криогенным генератором гетеродина. Этот приемник разрабатывается совместно с Институтом космических исследований Голландии и предназначен для дистанционного мониторинга Рис. 4. Фото центральной части интегральной микросхемы с двойной дипольной антенной.

атмосферы с борта высотного аэростата (проект TELIS). Главной научной задачей проекта является реализация предельной чувствительности СИС-смесителя и высокой разрешающей способности приемника со сверхпроводниковым генератором на основе ФФО, работающего в режиме фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).

СИП объединяет на одной микросхеме (размерами 4 *4 * 0.5 мм3) малошумящий СИС смеситель с квазиоптической антенной и сверхпроводниковый генератор на потоке джозефсоновских вихрей (ФФО), использующийся в качестве гетеродина. ФФО представляет собой длинный джозефсоновский переход, в котором приложенное магнитное поле и ток смещения создают однонаправленный поток флаксонов. Скорость и плотность потока флаксонов и, таким образом, мощность и частота излучаемого сигнала могут настраиваться независимо совместной подстройкой токов смещения и магнитного поля. Согласно предложенной концепции, сигнал ФФО распределяется между двумя СИС-смесителями, один из которых используется как приемный квазичастичный элемент, в то время как второй работает в режиме гармонического смесителя (см. рис. 4).

Микросхемы СИП для квазиоптических смесительных элементов изготавливаются из высококачественных трехслойных структур Nb-AlOx-Nb на подложке из кремния.

ФФО соединяется со смесительным элементом, расположенным внутри двойной дипольной или двойной щелевой антенны, с помощью микрополосковой линии, содержащей согласующие СВЧ структуры и развязки по постоянному току. ФФО и СИС имеют интегральные управляющие линии, с помощью которых задаются локальные магнитные поля. Для уменьшения влияния магнитного поля СИС смесителя на ФФО линия управления смесителя имеет П-образную форму и расположена перпендикулярно ФФО, что обеспечивает уровень паразитного магнитного поля не более 10-3.

За отчетный период были разработаны, изготовлены и предварительно испытаны интегральные микросхемы приемника для TELIS с рабочей частотой 500 – 650 ГГц.

Фотография центральной части интегральной микросхемы представлена на рис. 4, Уже в первых экспериментах было продемонстрировано, что разработанная микросхема может успешно функционировать в качестве интегрального спектрометра. Показано, что частотные области, где сверхпроводниковый генератор гетеродина обеспечивает достаточный уровень мощности для накачки как приемного СИС-смесителя, так и интегрального гармонического смесителя, перекрываются с областью чувствительности СИС-смесителя и планарной приемной антенны, измеренной с помощью Фурьеспектрометра (FTS). Были проведены измерения шумовой температуры приемника с генератором гетеродина, работающего в режиме ФАПЧ. На частоте 661 ГГц получено значение шумовой температуры приемника (DSB) порядка 200 К, что полностью удовлетворяет требованиям проекта ТЕЛИС.

Большинство из перечисленных выше результатов являются оригинальными и получено впервые в мире, они не имеют аналогов ни в нашей стране, ни за рубежом.

Работы, проводимые в рамках проекта, хорошо известны, в течение 2005 года они 10 раз докладывались на различных международных конференциях, где ведущие специалисты проекта выступали с приглашенными докладами. Эти результаты изложены в 14 статьях и тезисах докладов.

1. V.P. Koshelets, S.V. Shitov, A.B. Ermakov, O.V. Koryukin, L.V. Filippenko, A. V. Khudchenko, M. Yu. Torgashin,P. Yagoubov, R. Hoogeveen, O.M. Pylypenko, “Superconducting Integrated Receiver for TELIS”, “IEEE Trans. on Appl. Supercond.”, vol. 15, pp. 960-963, 2005.

2. V.P. Koshelets, P.N. Dmitriev, A.B. Ermakov, A.S. Sobolev, M.Yu. Torgashin, V.V. Kurin, A.L. Pankratov, J. Mygind, “Optimization of the Phase-Locked Flux-Flow Oscillator for the Submm Integrated Receiver”, “IEEE Trans. on Appl. Supercond.”, vol. 15, pp. 964-967, 2005.

3. J. Mygind, M. R. Samuelsen, V. P. Koshelets and A. S. Sobolev, “The mm-wave Josephson Flux Flow Oscillator; linewidth measurements and simple theory”, “IEEE Trans. on Appl. Supercond.”, vol. 15, pp. 968-971, 2005.

4. В.П. Кошелец, П.Н. Дмитриев, А.Б. Ермаков, Л.В. Филиппенко, О.В. Корюкин, М.Ю. Торгашин, А.В. Худченко, «Интегральный сверхпроводниковый спектрометр для мониторинга атмосферы.», Известия ВУЗов «Радиофизика», Том XLVIII, № 10–11, стр. 1-8, 2005.

5. J. Mygind, M. R. Samuelsen, V. P. Koshelets and A. S. Sobolev. “Simple theory for the spectral linewidth of the mm-wave Josephson Flux Flow Oscillator”, pi-shift Workshop "Physics of Superconducting Phase Shift Devices", Ischia (Napoli), 2-5 April 2005.

6. P.A. Yagoubov, J. Dercksen, R.W.M. Hoogeveen, V.P. Koshelets, O.V. Koryukin, and O.M. Pylypenko, “550-650 GHz spectrometer development for TELIS”,

Abstract

for the 16th International Symposium on Space Terahertz Technology, Sweden, May 2005, p. 156.

7. V.P. Koshelets, P.N. Dmitriev, A.B. Ermakov, L.V. Filippenko, O.V. Koryukin, A.V. Khudchenko, M.Yu. Torgashin, P.A. Yagoubov, R. W.M Hoogeveen, and W. Wild, “Superconducting Submm Integrated Receiver with Phase-Locked Flux-Flow Oscillator for TELIS” Abstract for the 16th International Symposium on Space Terahertz Technology, Sweden, May 2005, p.

108.

8. P. Yagoubov, H. van de Stadt, R. Hoogeveen, V. Koshelets, M. Birk, A. Murk, “Optical Design of sub-Millimeter Spectrometer for Limb Sounder” Extended Proceedings of the 28th ESA Antenna Workshop, June (2005).

9. V.P. Koshelets, P.N. Dmitriev, A.B. Ermakov, L.V. Filippenko, A.S. Sobolev, M.Yu. Torgashin, and V.B. Borisov, “Superconducting Flux-Flow Oscillators for THz Integrated Receiver”, presented at the second Franco-Russian Seminar on Nanotechnologies., Lille, France, August 2005.

10. V.P. Koshelets, P.N. Dmitriev, A.B. Ermakov, L.V. Filippenko, A.V. Khudchenko, O.V. Koryukin, A.S. Sobolev, M.Yu. Torgashin. Development of the Flux-Flow Oscillators for Submm Integrated Receiver” Extended Abstract of the ISEC 2005, September 2005, the Netherlands, p. PL-07.

11. V.V. Kurin, A.L. Pankratov, V.L. Vaks, and V.P. Koshelets “Investigation of Spectral Properties of Phase-Locked Flux Flow Oscillator “Extended Abstract of the ISEC 2005, September 2005, the Netherlands, p. PD-04.

12. V.P. Koshelets, A.B. Ermakov, L.V. Filippenko, O.V. Koryukin, A.V. Khudchenko, A.S. Sobolev, M.Yu. Torgashin, P.A. Yagoubov, R.W.M. Hoogeveen, W.J. Vreeling, W. Wild, and O.M. Pylypenko, “Superconducting Submm Integrated Receiver for TELIS” – presented at the 7th European Conference on Applied Superconductivity EUCAS '05, September 2005, Vienna.

13. A.S. Sobolev, V.P. Koshelets, and J. Mygind, “Radiation linewidth of the flux-flow oscillator with integrated self-field coil”, – presented at the 7th European Conference on Applied Superconductivity EUCAS '05, September 2005, Vienna.

14. R.W.M. Hoogeveen, P.A. Yagoubov, A. de Lange, A.M. Selig, V.P. Koshelets, B.N. Ellison and M. Birk, “Superconducting Integrated Receiver development for TELIS”, presented at the 12th International Symposium on Remote Sensing, 19-22 September 2005, Bruges, Belgium.

Проект 2.2. Исследование и разработка технологии высокоскоростного выращивания поликристаллических алмазных пленок и пластин, основанной на использовании газового разряда в пучках миллиметровых волн А.Л. Вихарев, А.М. Горбачев, А.В. Козлов, В.А. Колданов, А.Г. Литвак, Н.М. Овечкин, Ю.В. Быков, Г.Г. Денисов, Д.Б. Радищев Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород Синтез поликристаллических алмазных пленок из газовой фазы с использованием плазмы газовых разрядов относится к последним достижениям науки и интенсивно разрабатывается в различных странах мира. Алмазные пленки привлекают всеобщее внимание в силу уникальных физических свойств, которыми они обладают, как, например: чрезвычайная механическая твердость (до 90 ГПа) и износостойкость, наивысший модуль упругости (1,21012 Н/м2), наибольшая теплопроводность при комнатной температуре (2103 Вт/мК), наименьший коэффициент теплового расширения при комнатной температуре (10-6 К), оптическая прозрачность в широком диапазоне от ультрафиолетового до глубокого инфракрасного диапазона длин волн.

В настоящее время широкое внедрение высококачественных алмазных пленок (с высокой теплопроводностью) сдерживается технологическими трудностями их получения и высокой стоимостью из-за низкой скорости роста алмазных пленок. Увеличение скорости роста поликристаллических алмазных пленок из газовой фазы возможно при повышении концентрации химически активных частиц, прежде всего атомов водорода, образующихся в газовом разряде в основном при столкновениях электронов с молекулами. Для этого необходимо повышение концентрации электронов в разряде и увеличение удельной микроволновой мощности, поглощаемой в плазме. Этого можно добиться за счет создания плазмы микроволновым излучением более высокой частоты, чем 2,45 ГГц, традиционно использующейся в CVD реакторах. Можно надеяться, что этот метод может быть реализован при использовании для выращивания алмазных пленок специализированных гиротронных комплексов, работающих на частотах 24-84 ГГц с мощностями от 10 до 30 кВт.

Данный проект посвящен исследованиям осаждения алмазных пленок из газовой фазы в плазме СВЧ разряда, создаваемого пучками миллиметровых волн. Целью проекта являлось определение условий высокоскоростного осаждения алмазных пленок в плазме такого разряда в зависимости от состава и давления газовой смеси, температуры подложки; получение опытных образцов алмазных дисков толщиной 0,5-1,5 мм и диаметром 75-100 мм с высокой теплопроводностью.

Для проведения исследований использовалась установка на основе гиротрона с мощностью 10 кВт и частотой 30 ГГц, в которой стационарный СВЧ разряд создавался с помощью электродинамической системы, формирующей четыре пересекающихся волновых пучка. При таком способе создания плазмы в области пересечения пучков образуется область усиленного поля, в которой происходит поддержание стационарного СВЧ разряда. Изменяя форму и размеры поперечного сечения пучков, можно регулировать размеры и форму плазмы.

На рис.1 представлена блок-схема установки, которая состоит из следующих основных частей: источника микроволнового излучения – гиротрона (1); вакуумной камеры (2), снабженной системой напуска (3) и откачки (4) рабочей смеси газов; системы формирования и подвода электромагнитной энергии (5) к СВЧ разряду (6), волноводного тракта (7), обеспечивающего транспортировку энергии от гиротрона к реактору; модового конвертора (8), согласующего выходное излучение гиротрона с волноводным трактом;

блока управления установкой (9); блоков питания гиротрона, систем охлаждения, диагностических и измерительных приборов (на рисунке не показаны).

Рис.1. Блок схема установки: 1 – гиротрон, 2 - вакуумная камера, 3 - система напуска газа, 4 – откачная система, 5 - система подвода электромагнитной энергии к СВЧ разряду, 6 – газоразрядная плазма, 7 - волноводный тракт, 8- модовый преобразователь, 9- блок управления установкой.

Приведенная установка обеспечивала поддержание газового разряда в пучках электромагнитных волн миллиметрового диапазона вблизи подложки, которое требуется для выращивания алмазных пленок на подложке. На рис.2 приведена фотография СВЧ разряда над подложкой при давлении газовой смеси Ar/H2 равном 150 Торр. Как видно из рисунка, разряд имеет форму диска с диаметром равным диаметру подложки и толщиной 2 см. Такая форма разряда позволяет достичь достаточно высоких энерговкладов в разрядную плазму.

Рис.2. Фотография разряда над подложкой при давлении газовой смеси 150 Торр.

Температура подложки является одним из существенных параметров, влияющих на процессы осаждения алмазной пленки. Температура подложки зависит от давления и состава газовой смеси, подводимой к плазме микроволновой мощности. На рис.3а приведена зависимость температуры подложки от подводимой к разряду мощности в Ar/H2 газовой смеси в 30 ГГц CVD реакторе. Из рисунка видно, что при всех давлениях газовой смеси температура возрастает при увеличении микроволновой мощности. Также наблюдается незначительный рост температуры при уменьшении давления газовой смеси.

Такое поведение температуры подложки в разряде, создаваемом пучками электромагнитных волн в 30 ГГц CVD реакторе, отличается от наблюдаемого в традиционном 2,45 ГГц CVD реакторе. В последнем реакторе увеличение давления газа приводит к заметному уменьшению размеров разряда, увеличению удельной (на единицу объема) мощности, поглощаемой в плазме, и увеличению температуры подложки, рис.3б.

В 30 ГГц CVD реакторе разряд над подложкой имеет форму диска и его объем изменяется незначительно при изменении давления газа.

Рис.3. Зависимость температуры подложки от подводимой к разряду СВЧ мощности в 30 ГГц CVD реакторе (а) и от давления газа в СВЧ разряде в 2,45 ГГц CVD реакторе (б) [1].

Исследования осаждения алмазных пленок в 30 ГГц CVD реакторе проводились в газовой смеси Ar/H2/CH4, которая позволяет выращивать как поликристаллические, так и нанокристаллические алмазные пленки, варьируя содержание аргона в смеси.

Исследование напыления поликристаллических алмазных пленок проводилось при широком варьировании рабочих параметров. Содержание метана в трехкомпонентной газовой смеси варьировалось от 0.5% до 2%, аргона от 50% до 75%, при скорости полного газового потока 400 sccm. CVD реактор работал в широком диапазоне газовых давлений 100–400 Торр и вводимой СВЧ мощности от 5 до 8 кВт. В ходе экспериментов менялись также температура подложки и ее высота относительно СВЧ разряда. Алмазные пленки осаждались на (100) ориентированную кремневую подложку толщиной 2 мм и диаметром 60-75 мм. Перед процессом осаждения кремниевые подложки механически обрабатывались 2-х микронным алмазным порошком. Время осаждения тонких пленок составляло 1-4 часа. Средняя скорость роста определялась на основании измерений массы осажденной алмазной пленки при предположении однородности ее толщины по поверхности подложки.

Скорость роста в зависимости от концентрации метана приведена на рис.4. Как видно из рисунка, наблюдается увеличение скорости при увеличении содержания CH4 при давлении 200 Торр и концентрации аргона 75%.

Рис.4. Скорость роста алмазных пленок в зависимости от концентрации метана при давлении газа 200 Торр.

На рис.5 приведены рамановские спектры рассеяния из центра двух пленок и оптические микрофотографии поверхности этих пленок, выращенных при концентрации метана 0.75%, температуре подложек 790-8500C и давлении газа 200 Торр. Из приведенных данных видно, что различие в температуре подложек сказывается на текстуре пленок и их качестве.

1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 Рис.5. Спектры рамановского рассеяния и микрофотографии поверхности алмазных пленок, выращенных в 30 ГГц плазменном реакторе при различных режимах, время осаждения 3 часа в обоих случаях.

Для корректного сравнения процессов осаждения алмазных пленок в 2,45 ГГц и ГГц CVD реакторах был проведен цикл исследований роста алмазных пленок при одинаковом составе газовой смеси, давлении, скорости газового потока, температуре подложки и падающей СВЧ мощности. Для сравнения был выбран 2,45 ГГц реактор на основе эллипсоидального резонатора [2]. На рис.6 показаны спектры рамановского рассеяния и микрофотографии поверхности пленок, выращенных в газовой смеси Ar/H2/CH4 на двух реакторах. Следует отметить, что осаждение алмазной пленки в 2, ГГц CVD реакторе осуществлялось в течение 8 часов, при этом средняя скорость осаждения составила 1,9 микрон в час, а в 30 ГГц CVD реакторе алмазная пленка осаждалась в течение 3 часов при скорости 9 микрон в час. В обоих реакторах рабочие параметры были следующие: давление газа 200 Торр, температура подложки 8200С, падающая мощность 6 кВт, концентрация аргона 75%, концентрация метана 0,75 %. Из проведенных экспериментов видно, что в 30 ГГц CVD реакторе скорость роста выше. Это может быть объяснено тем, что в 30 ГГц реакторе разряд был локализован вдоль подложки и плотность мощности (Вт/см3) была существенно выше.

Рис.6. Спектры рамановского рассеяния и микрофотографии поверхности алмазных пленок, выращенных в двух CVD реакторах: (а) в 30 ГГц реакторе, время осаждения 3 часа, (б) в 2,45 ГГц эллипсоидальном реакторе, время осаждения 8 часов.

Рис.7. Общий вид поликристаллических алмазных пластин толщиной 0,13 мм и диаметром 60 мм (а); толщиной 0,65 мм и диаметром 75 мм (б) на кремниевых подложках.

Проведенные исследования позволили определить условия синтеза высококачественных алмазных пластин. Создание автоматической системы контроля и управления процессами в 30 ГГц CVD реакторе дало возможность проводить длительные (до сотен часов) эксперименты по синтезу алмазных пленок и пластин с использованием газового разряда в пучках миллиметровых волн. На установке были выращены пластины из поликристаллического алмаза толщиной 0,13 мм и диаметром 60 мм, толщиной 0,65 мм и диаметром 75 мм, рис.7.

Для обеих пластин были проведены исследования структуры поверхности и качества полученного алмаза. На рис.8. показаны микрофотографии поверхности и спектры рамановского рассеяния в центре и вблизи края одной из пластин. Установлено, что обе пластины отличаются высоким качеством и однородностью параметров.

Таким образом, проведена серия экспериментов по осаждению алмазных пленок на кремниевые подложки диаметром 60 и 75 мм в газовой смеси Ar/H2/CH4 при варьировании давления и состава газовой смеси, скорости газовых потоков и температуры подложки.

Получены высокие скорости роста алмазных пленок до 9 микрон в час. Проведено сравнение результатов выращивания алмаза в 2,45 ГГц и 30 ГГц MPACVD реакторах.

Показано, что скорость роста алмазных пленок в 30 ГГц реакторе в 5-7 раз выше, чем скорость роста в 2,45 ГГц реакторе при одинаковых рабочих параметрах.

Экспериментально подтверждена возможность использования технологии высокоскоростного выращивания алмазных пленок из газовой фазы на 30 ГГц CVD реакторе для получения толстых высококачественных алмазных пластин. Получены экспериментальные образцы алмазных пластин диаметром 60мм и толщиной 0,13 мм, диаметром 75мм и толщиной 0,65мм. Обе пластины отличаются высоким качеством, однородностью поверхности роста и толщины.

Рис.8. Микрофотографии поверхности алмазной пластины (а) и спектры рамановского рассеяния (б) в центре и вблизи края.

1. А.Л. Вихарев, А.М. Горбачев, В.А. Колданов, Д.Б. Радищев, Физика плазмы, 31, №4, 1-9, (2005).

2. M. Funer, C. Wild, P. Koidl, Appl. Phys. Lett., 72, 1149 (1998).

Проект 2.3. Субмиллиметровый матричный радиометр на А.Н. Выставкин, С.В. Шитов, А.Г. Коваленко, С.А. Ковтонюк, А.В. Пестряков Институт радиотехники и электроники РАН, Москва Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород Цель создания высокочувствительных субмиллиметровых матричных радиометров – установка их на телескопах наземного и космического базирования для проведения астрономических наблюдений и измерений. Программой на 2005 год было предусмотрено следующее содержание исследований и разработок:

(1) Отработка технологии изготовления болометров с использованием электронного литографа.

(2) Создание низкотемпературного лабораторного стенда.

(3) Разработка топологии элементов и матриц болометрических приемников.

Ниже изложены результаты перечисленных исследований и разработок.

1. Отработка технологии изготовления болометров с использованием электронного литографа [1 - 4].

Завершен цикл разработки технологии изготовления двухслойных структур «сверхпроводник-нормальный металл» с нанометровыми (10…100 нм) толщинами слоев и измерений электрических характеристик таких структур и оценки чувствительности к принимаемому субмиллиметровому излучению сверхпроводниковых болометров, работающих в режиме датчиков на краю перехода (от англ. transition edge sensor - TES) на основе таких структур.

В качестве двухслойных структур «сверхпроводник-нормальный металл» были выбраны двухслойные структуры «молибден-медь», где молибден – сверхпроводник при температурах ниже 0,9 К, а медь – нормальный металл. В таких и подобных структурах наблюдается эффект близости, заключающийся в частичном подавлении сверхпроводимости в сверхпроводнике за счет близости нормального металла, используя который, можно подбирать температуру края перехода, соответствующую рабочей температуре применяемого рефрижератора. На основе выбранных материалов получаются пленки с хорошей сплошностью и гладкостью, что позволяет изготавливать высококачественные сверхпроводниковые наноструктуры, а на их основе – высокочувствительные болометры и матрицы болометров. Технологическое оборудование состоит из собственно технологической напылительной установки L-560 фирмы Leybold Hereaus, Германия, и контрольно-измерительных приборов для определения толщины, сплошности и гладкости поверхностей слоев наноструктур: профилометра Alpha-Step 200, фирмы KLA-Tenkor США, электронного растрового микроскопа JEOL–6460, фирмы JEOL, Япония, и микроскопа атомных сил «Solver Р47Н», Россия. У изготовленных структур пленка молибдена и двухслойная структура Mo-Cu сплошные и гладкие.

Шероховатости поверхности молибдена Мо= 0,253 нм, меди Cu=0,418 нм. Такое высокое качество поверхностей слоев обеспечивает точность получения температуры края перехода наноструктур не хуже 3 – 5 %. На рис. 1 приведен результат измерения гладкости поверхностей.

В измерительном рефрижераторе сверхнизких температур (Т = 50 мК…1,0 К) ИФП РАН были измерены температурные зависимости сопротивления двухслойных структур при различных толщинах слоев молибдена и меди.

Результаты измерений типичных образцов представлены на рис. 2 и основные параметры сведены в таблицу.

Рис. 2. Типичные измеренные зависимости R(T) для четырех температур края перехода образцов Мо/Сu (а) - (г), параметры которых даны в таблице.

Основные параметры групп измеренных образцов С использованием измеренных температурных зависимостей сопротивления образцов сверхпроводниковых структур и уравнения баланса энергии электронов где левая часть P =U / R(Te ) – джоулева мощность, поступающая в электронную систему из цепи смещения, и правая часть – мощность горячих электронов, выходящая из электронной системы в решетку тонкой металлической пленки и в подложку через электрон-фононные взаимодействия, U – фиксированное напряжение смещения, Te – температура горячих электронов, R(Te) – сопротивление болометра, зависящее от температуры электронов, вычислены вольтамперные и вольтваттные характеристики болометров, которые возможно создать на основе двухслойных структур (рис. 3). С использованием этих характеристик выполнена оценка предельной чувствительности болометров. Они оказались равными: Рпр0,4 4 1019 Вт/Гц1/2, Рпр0,27 2 10 20 Вт/Гц1/2 и Рпр0,08 4 1021 Вт/Гц1/2 при температурах края перехода 0,4, 0,27 и 0,08 К, соответственно.

Этих предельных чувствительностей вполне достаточно для создания субмиллиметровых матричных радиометров для большинства астрономических задач.

Рис. 3. Вольтамперные характеристики (сплошные линии) и зависимости поглощенной мощности (штриховые линии) от приложенного фиксированного напряжения смещения U трех рассчитываемых болометров (образцы б, в, г) с поперечными размерами поглотителя 7 0,7 мкм2.

Проведена разработка и моделирования системы мультиплексирования сигналов в матрице болометров. Дело в том, что для наблюдения протяженных источников космического излучения требуются матрицы болометров размерностью 100100 и более.

При этом встает проблема перегрева последней ступени криогенной системы из-за большого числа проводников, требующихся для подвода смещения к болометрам и отвода от них продетектированных сигналов. С целью решения этой проблемы предложен новый метод мультиплексирования сигналов в матрицах приемных элементов с болометрами. Он состоит в суммировании продетектированных сигналов в рядах параллельно включенных N болометров (рис. 4), сборе сумм сигналов в N параллельных рядах при вращении изображения наблюдаемого источника в плоскости этого изображения, находящегося в фокальной плоскости телескопа и совмещенного с плоскостью приемной матрицы, относительно этой матрицы с фиксированием изображения с угловым шагом и последующее восстановление исходного изображения из сумм сигналов с применением алгоритмов, подобных тем, что применяются в компьютерной томографии. Возможно считывание сумм сигналов по рядам и при непрерывном вращении решетки через равные промежутки времени, соответствующие поворотам с определенным небольшим угловым шагом. Разработаны алгоритмы восстановления изображения при применении описанного метода мультиплекси-рования. Проведено моделирование процедуры восстановления с использованием изображения галактики М33 (рис. 5), опубликованного в литературе и Интернете. Показано, что метод работает нормально.

Рис. 4. Параллельное электрическое включение болометров с выходом на СКВИД-усилители (N рядов по N болометров в ряду): БОЛ – болометры с одинаковыми сопротивлениями RБ и температурой края сверхпроводникового фазового перехода; Ш – шунты, с которых на болометры подается заданное напряжение смещения U; RS – последовательные сопротивления цепей смещения; UСМ – источник заданного напряжения смещения; Б – блоки электроники СКВИД’ов, аналого-цифровых преобразователей и последовательной цифровой передачи данных (цепи обратной связи СКВИД’ов не показаны).

2. Создание низкотемпературного лабораторного стенда [5].

Для проведения исследований матриц болометров и создания на их основе радиометра разработан лабораторный стенд на основе двухступенчатого 4He/3He рефрижератора, смонтированного в криостате предохлаждения, блок-схема которого изображена на рис.

6. Двух-ступенчатый рефрижератор изображен на рис. 7. Испытания показали следующие характеристики низкотемпературного лабораторного стенда: непрерывная работа при температуре 0,3 К – десять часов, время восстановления рабочей температуры после 10часового цикла – 1 час.

Рис. 5. (а) исходное изображение галактики М33, полученное на длине волны = 100 мкм [94], (б) результат математического моделирования процедуры мультиплексирования с использованием изображения галактики М33 в качестве исходного.

Рис.6. Блок - схема криостата предохлаждения (4,2 К) со встроенным в него сорбционным рефрижератором 3. Разработка топологии элементов и матриц болометрических приемников [6 - 7].

С целью реализации матрицы болометров с системой мультиплексирования сигналов разработана согласующая антенная матрица с возможностью приема обеих поляризаций излучения. Сверхпроводниковые болометры включаются в антенную матрицу, общая структура которой изображена на рис. 8. Она состоит из отдельных крестообразно пересекающихся двух пар щелевых антенн, что обеспечивает прием обеих поляризаций излучения, и выполнена в виде интегральной микросхемы. На рис. 9 изображен один антенный элемент такой интегральной микросхемы с двумя болометрами. Две взаимно перпендикулярные микрополосковые линии согласованы каждая с двумя соответствующими щелями антенны. Распространение излучения вдоль цепей смещения (рис. 11) ограничено четвертьволновыми фильтрами-развязками, по два с каждого конца.

Эскиз верхнего (металлического) слоя микросхемы с числом болометров 33(2) изображен на рис. 10. Видны девять антенн с двумя парами крестообразно пересекающихся щелевых антенн; прямоугольные прорези – верхние части четвертьволновых фильтров-развязок. На рис. 11 дан эскиз одного из двух нижних слоев (для одной поляризации), представляющих собой разводку смещения к болометрам и одновременно нижний провод микрополосковой линии, ограниченной четвертьволновыми фильтрами. На рис. 12 показана электрическая и микроволновая развязка двух микрополосковых линий, представляющая собой часть микросхемы в центре одного приемного элемента, выполненная в четырех уровнях.

Белым цветом показаны два болометра, включенные в разрывы микрополосковых линий. Аналогичная развязка организована в цепях, подводящих смещение к болометрам.

По-существу, микрополосковые линии, возбуждаемые щелями, и включенные в них болометры представляют собой микрополосковые трансформаторы, обеспечивающие согласование низкоомных болометров со сравнительно высокоомными щелевыми антеннами. На рис. 13 представлен результат расчета потерь на отражение падающего излучения на один элемент приемной матрицы для одной поляризации, характеризующих его спектральную чувствительность. В центре полосы потери на отражение составляют ~ 5%, что соответствует 95% прохождения мощности излучения в болометр. Это хорошая цифра, характеризующая согласование болометра с оптическим трактом. На рис. представлены результаты вычисления взаимного влияния (перекрестных помех) антенн матрицы 33(2). Видно, что уровень перекрестных помех лежит значительно ниже дБ, что позволяет пренебречь этими эффектами и считать антенны полностью изолированными.

Рис.14. Взаимное влияние (перекрестные помехи) антенн матрицы 33(2). Расчет выполнен для одной щелевой антенны центрального приемного элемента с одной поляризацией.

Коэффициенты связи: 1 – с соседней по горизонтали (горизонтальная с горизонтальной), 2 – с соседней внизу (горизонтальная с горизонтальной), 3 – внутри одного приемного элемента (вертикальная с горизонтальной), 4 - с соседней внизу (горизонтальная с вертикальной), 5 - с соседней по горизонтали (горизонтальная с вертикальной), 6 - с соседней по диагонали (горизонтальная с горизонтальной).

В рамках данного проекта были выполнены разработка и изготовление приемных элементов матрицы, состоящих из описанных выше планарных согласующих двойных щелевых антенн с одной поляризацией и включенных в них через микрополосковые трансформаторы сверхпроводниковых болометров. На рис. 15 представлен выполненный в АВТОКАД’е чертеж чипа с шестьюдесятью четырьмя приемными элементами. На рис.

16 представлена фотография центральной части изготовленного одного из таких приемных элементов. При изготовлении этих приемных элементов применялась технология, описанная в разделе 1, а также электронный литограф на базе электронного растрового микроскопа JEOL–6460, фирмы JEOL, Япония, Достигнутая на сегодняшний день ширина болометра, входящего в состав приемного элемента на рис. 16, составляет 0,3 мкм.

1. А.Г. Коваленко, Тестирование двухслойных структур молибден-медь, Журнал радиоэлектроники (электронный журнал), http://jre.cplire.ru 2005, март.

2. А.Г. Коваленко, Тонкопленочные структуры «молибден-медь» с эффектом близости и сверхпроводниковым переходом для сверхчувствительных субмиллиметровых болометров, Диссертация на соискание ученой степени канд. физ.-мат. наук, Ин-т радиотехн. и электроники РАН, апрель 2005.

3. Исследование сверхпроводникового перехода в тонкопленочных структурах «молибден-медь»

и оценка чувствительности субмиллиметровых болометров на основе таких структур.

A.N. Vystavkin, A.G. Kovalenko, S.A. Kovtonyuk, Study of superconducting transition in a Mo/Cu thin film structure and estimation of sensitivity of SUBMM waveband region TES bolometers on the basis of such a structure, Proc. of 16-th Intern. Symp. on Space Terahertz Technology, 31 April - May, 2005.

4. Мультиплексирование сигналов в решетках прямых детекторов с использованием сочетания методов проекций и частотного разделения смещения.

A.N. Vystavkin, A.V. Pestriakov, The multiplexing of signals in direct detector arrays using the combination of projections and frequency domain biasing methods, Proc. of 16-th Intern. Symp. on Space Terahertz Technology, 31 April - 4 May, 2005.

5. В.Н. Трофимов. А.Н. Черников, В.Ф. Вдовин, В.Г. Перминов, А.Н. Выставкин, Оптический криостат с сорбционным рефрижератором 3Не, Сообщения Объединенного института ядерных исследований, вып. РИ-2005-41, Дубна, 2005.

6. Интегральная антенная решетка для ДКП матричного радиометра: общая концепция и моделирование.

S.V. Shitov, A.N. Vystavkin, An integrated array antenna for a TES imaging radiometer: general concept and simulations, Proc. of 16th Intern. Symp. on Space Terahertz Technology, 31 April - May, 2005.

7. Анализ конструкции матричного радиометра с включенными в антенну датчиками на краю перехода.

S.V. Shitov, A.N. Vystavkin, A design analysis of imaging radiometer with antenna-coupled transition edge sensors, Proc. of 11th Intern. Workshop on Low Temperature Detectors, Tokyo, Japan, 1 - 5 August.

Проект 2.4. Разработка и исследование сверхвысокочувствительного болометра терагерцового диапазона на разогреве электронов в нормальном металле отражением при сверхнизких температурах»

Руководитель проекта 2.4 д.ф.-м.н. В.С.Эдельман Разработан и исследован компактный криостат растворения для охлаждения до мК сверхвысокочувствительных микроболометров терагерцового диапазона.

Разработаны и проверены электронные схемы измерения характеристик таких болометров при сверхнизких температурах.

Цель и направленность исследований Исследования в терагерцовом диапазоне касаются не только получения новой физической информации об объектах исследования, но и параллельного развития средств этих исследований.

Одним из самых востребованных в настоящее время направлений фундаментальных физических исследований является подготовка экспериментальной базы для выяснения физической природы и непосредственного измерения свойств «Темной материи» и «Темной энергии». За последние 10 лет, в результате обработки данных тщательных измерений углового распределения и спектра реликтового излучения в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах стало очевидным, что свойства Вселенной – ее метрика и динамика расширения определяются в значительной степени (более 90% по массе) не столько видимой и наблюдаемой до сих пор имеющимися средствами материи (звезды, пыль, газы и т.п.), а той материей, которая не испускает и не поглощает электромагнитного излучения, и эти ее свойства позволили назвать материю «темной».

Дальнейшие исследования в этом направлении требуют, в частности, использования сверхчувствительных, сверхмалошумящих криогенных детекторов. Существующие традиционные охлаждаемые детекторы на основе болометров на горячих электронах и СИС детекторов и смесителей не обеспечивают необходимой чувствительности. Решить эту фундаментальную проблему возможно, применяя недавно предложенные и испытанные болометры на холодных электронах. При температурах порядка 50 мК продемонстрирована мощность эквивалентная шуму на уровне 10-18 Вт/Гц1/2 и частотный диапазон до 2 ТГц. Технология изготовления таких детекторов развивается в ИРЭ РАН, МГУ, а также сотрудниками ИФП, ИРЭ, МГУ при тесном сотрудничестве с Чалмерским университетом в Швеции.

Кроме реализации всех предельных характеристик созданных детекторов, для его применения в радиоастрономии терагерцового диапазона необходимо разработать компактный и удобный в работе с наземными телескопами или для балонных экспериментов квазиоптический криостат с рабочей температурой 50-300 мК при тепловой нагрузке до 100 мкВт.

Несмотря на значительный прогресс во всем мире по изготовлению и применению сверхнизкотемпературных (менее 1К) криостатов, в которых используется или откачка Не, или растворы 3Не в 4Не, большинство криостатов представляют собой достаточно внушительные и дорогостоящие приборы, в основном предназначенные для работы в лабораториях, имеющих опыт работы с криогенной техникой. Они, как правило, потребляют значительное количество гелия, и их применение вполне оправдано при использовании в Центрах коллективного пользования. В данном проекте целью разработки являются компактные сверхнизкотемпературные криостаты циклического (время работы не менее 8-ми часов), а также непрерывного действия с внутренними абсорберами гелия.

В рамках данного проекта проводилась работа по созданию компактных криостатов растворения 3Не в 4 Не двух модификаций – циклического и непрерывного действия.

Компактный криостат растворения.

Рефрижераторный блок автономного, компактного и экономичного криостата растворения с конденсационной откачкой смеси выполняется в виде вставки в безазотный транспортный сосуд Дюара с «горлом» диаметром 58 мм, отечественного производства.

[1,2] Работа начинается с конденсации 4Не в конденсаторе при нагреве сорбера 4Не. По завершению конденсации сорбер охлаждается, и начинается откачка 4Не, который по капилляру переливается в ванну 4Не и остывает до примерно 1 К. Включается нагрев сорбера 3Не, и десорбирующийся 3Не конденсируется за счет запаса холода в 4Не и стекает в ванну 3Не. После завершения конденсации 3Не сорбер охлаждается, и температура жидкого 3Не снижается до 0.35-0.45К, и начинается охлаждение смеси 3Не Не.

По достижению температуры 0.6 –0.5К происходит расслоение смеси на тяжелую фракцию с малым содержанием 3Не и легкую фракцию с преимущественным содержанием 3Не. В этот момент включается нагрев испарителя, в котором содержится тяжелая фракция, из которой преимущественно испаряется 3Не. В результате концентрация 3Не становится ниже равновесной, и его недостаток восполняется диффузией через теплообменник 3Не из миксера в испаритель и переходом в миксере 3Не из легкой фазы в тяжелую, что сопровождается поглощением тепла и снижением температуры смеси. Испарившийся в испарителе 3Не конденсируется на холодной стенке в конденсаторе паров смеси и стекает обратно в миксер, чем замыкается цикл циркуляции.

Особенность созданного прибора – он работает при малой циркуляции 3Не, порядка нескольких микромолей в секунду, что в десятки и сотни раз меньше, чем у традиционных криостатов растворения. В результате, при малых запасах 3Не в приборе (порядка 1- литров газа) предельно низкая температура может поддерживаться несколько часов.

Криостат-вставка в сборе и низкотемпературная часть прибора показаны на рис. 2 и 3 соответственно.

Автоматизация работы криостата.

Для измерения температуры камеры растворения, контролирования температур основных узлов криостата, сбора и анализа данных, управления работой микрокриостата растворения разработана специализированная аппаратно-программная система.

В качестве датчиков температуры для диапазона от комнатной температуры до температуры жидкого гелия использованы термопары «медь-константан» из прокалиброванного материала, для диапазона от температуры жидкого гелия до десятков мК – термометры сопротивления из бескорпусных резисторов PH1-12 с резистивным элементом на основе оксида рутения.

Для усиления сигналов температурных датчиков, согласования этих сигналов с диапазоном входного сигнала измерительного АЦП и подавления синфазных помех применены дифференциальные предварительные усилители на основе прецизионных операционных усилителей OP177 производства “Analog Devices”. Кроме усилителей, в состав интерфейсного блока входят реле, предназначенные для подачи управляющих сигналов на нагреватели сорберов и тепловые ключи криостата, для управления испарителем криостата и для задания измерительного тока через термометры сопротивления.

Измерение и оцифровка сигналов осуществляются компьютерной АЦП/ЦАП платой NI-6014 производства “National Instruments”. Плата обеспечивает измерение восьми сигналов в дифференциальном режиме. Сбор и анализ данных, а также и управление работой криостата осуществляются разработанной для этих целей программой под Windows.

Окно программы показано на рис. 4. В левой части экрана сверху расположена схема криостата. Под ней находится окно для вывода промежуточных данных:

результатов преобразования АЦП, напряжений на входах предусилителей, сопротивлений термометров. В центре и в правой части – окна с графиками зависимостей температур основных узлов криостата от времени.

Испытания работы компактного криостата, начатые в 2004 году, показали возможность получения температуры до 0.035 К на стенке камеры растворения (см.

рис.5). Возможность длительной работы демонстрирует рис.6.

В 2005 году работа по проекту проводилась параллельно по следующим направлениям:

А. Компактные криостаты растворения Изготовлены и испытаны рефрижераторные блоки двух компактных криостатов растворения, выполненных в виде вставки в промышленный транспортный безазотный криостат для жидкого гелия. Циркуляция 3Не в обоих приборах осуществляется его откачкой при конденсации на стенке с температурой 0.35 – 0.5 К, охлаждаемой сорбционной откачкой 3Не из отдельной ванны. Одна из модификаций криостата – периодического действия, когда температура ниже 0.1 К поддерживается в криостате несколько часов, после чего требуется регенерация сорбционного насоса, занимающая около получаса. Другая модификация криостата – непрерывного действия, изготовленная и исследованная в результате совместной работы ИФП РАН и IAP, Berlin (Институт прикладной фотоники, Берлин). В этот криостат введена дополнительная ванна с жидким Не, что благодаря большой теплоемкости жидкости позволяет поддерживать циркуляцию во время регенерации сорбционного насоса. Минимальная достигнутая температура составляет 0.035 К. Приборы работают при циркуляции в пределах ~ 1 – 10 мкмоль/с.

Расход жидкого гелия на поддержание работы рефрижераторов составляет 1 – 2 л/сутки.

Описание приборов опубликовано в статье [3]:

В приборе непрерывного действия установлена система экранов и теплопроводов для охлаждения легко доступного держателя образцов, находящегося в верхней части прибора, до низкой температуры. Фотография держателя образцов и окружающих его экранов (со снятыми крышками) приведена на рис. 7.