Введение к работе
Актуальность темы.
Дальнейшее совершенствование спектроскопической техники открывает новые возможности п исследовании спектров молекул. Распространение методов микроволновой спектроскопии на все более коротковолновую часть частотного диапазона представляет одно из основных направлении ее развития. Субмиллиметровый диапазон является областью вращательных спектров молекул, имеющих принципиальное значение для понимания динамики молекул, межмолекулярного п внутримолекулярного взаимодействия. Исследования спектров молекул в суб-милиметровом диапазоне также представляют ннерес для радиоастрономии и физики плазмы. Однако, до сих пор, методы микроволновой спектроскопии позволяют уверенно работать лишь в низкочастотной части этой интереснейшей области спектров.
Традиционным путем продвижения в высокочастотную часть диапазона являлось умножение частоты источников излучения сантиметрового и миллиметрового диапазона на нелинейном элементе - обычно точечном полупроводниковом диоде, начатое В. Горди, продвинувшимся в 1954 г. в длинноволновую часть субмиллиметрового диапазона [1]. Разработка и создание в России серии первичных генераторов субмиллиметрового диапазона - ламп обратной волны (ЛОВ) типа [2] и их применение для микроволновоп спектроскопии позволило в 1973 г. превзойти верхний частотный предел микроволновых исследовании, достигнутый с помощью генераторов гармоник и составлявший 813 ГГц [3], и достигнуть частоты 874 ГГц [4], В дальнейшем верхние частотные пределы продвинулись до 1100 ГГц при спектроскопии с субмил-лішетровьшп ЛОВ (см. напр. [5]) и до 103G ГГц при спектроскопии с умножением частоты миллиметровых источников излучения (см. напр. [б]) и оставались неизменными более десяти лет.
В настоящей работе описывается расширение диапазона микроволновой спектроскопии до 1500 ГГц путем умножения частоты излучения субшгллнметровой ЛОВ на высокочастотном диоде Шоттки. С учетом этого новейшего результата можно сказать, что значение верхнего предела частоты в микроволновой спектроскопии за последние полвека удваивалось примерно каждые двадцать лет. И, тем не менее, до сих пор исследования спектров молекул в диапазоне выше 500 ГГц требуют боьлыних затрат времени и высокой квалификации, и доступны лишь нескольким лабораториям во всем мире. То есть, развитие экспериментальных методов микроволновой спектроскопии, ниже Терагерца и вблизи Терагерца по прежнему является весьма важной задачей для практической спектроскопии.
Целью настоящей работы являлось, как распространение экспериментальных методов микроволновой спектроскопии на базе источников когерентного излучения типа ламп обратдой волны (ЛОВ) [2] на максимально высокие частоты, так и повышенно чуствительностп, точности и ншрокодиапазояностп методов, а так же нвтоматицация эксперимента п перевод исследований спектров молекул в субмпллимс-тровом диапазоне в раприд массовых рутинных намерении.
Этим опродел длись ее основные направления:
Рапвитие метода частотных измерении по известному опорному спектру при стабилизации частоты излучения субмиллимстровых ЛОВ по перестраиваемому резонатору Фабри - Перо до частот ~ 923 ГГц.
Развитие традиционного для микроволновой спектроскопии метода исследования спектров с применением системы фазовой стабилизации частоты (ФАПЧ) излучения субмиллиметровых ЛОВ по опорному сигналу до частот ~ 973 ГГц.
Умножение частоты излучения субмиллиметровых ЛОВ на нелинейном элементе и использование мощности получаемых гармоник для микроволновой спектроскопии до ~ 1,5 ТГц.
Научная новизна работы заключается в следующем:
в Впервые получено и применено для спектроскопии излучение на гармониках субмиплнметровой ЛОВ до частот ~1,5 ТГц. Умножение частоты излучения ЛОВ осуществлено на плоскостном диоде Шоттки.
Впервые экспериментально обнаружен и применен для спектроскопии эффект собственной генерации гармоник в ЛОВ.
Впервые осуществлены непрерывные шпрокодиапазонные записи спектров протяженностью в десятки гигагерц в режиме ФАПЧ ЛОВ в субмиллиметровом диапазоне длин волн.
Верхний частотный предел систем ФАПЧ излучения субмиллимстровых ЛОВ увеличен с 874 до 973 ГГц.
Впервые в субмиллиметровом диапазоне длин волн продемонстрирована возможность широкодиапазонных спектроскопических исследований при управлении частотой излучения ЛОВ по перестраиваемому резонатору Фабри Перо и отсчете частоты по опорному спектру.
Составлены уточненные таблицы спектральных линий молекулы БОг в субмиллиметровом диапазоне для использования этого спектра в качестве опорного при исследованиях.
Научная ценность и практическая значимость результатов
во многом определяется ее актуальностью. В результате работы созданы экспериментальные установки, превосходящие по ншрокодиапа-зонностп все существующие в настоящее время микроволновые спектрометры и позволяющие исследовать спектры молекул в ранее недоступном для микроволновой спектроскопии диапазоне частот.
Полученные результаты и разработанные методы представляют интерес как для широкого круга исследователей, специализирующихся в микроволновой спектроскопии высокого разрешения и ее приложений, в особенности в таких организациях, как ИС РАН и ИОФ РАН (г. Москва), ИХ РАН (г. Н. Новгород), ИОА СО АН и ТГУ (г. Томск), ИЛФ СО АН (г. Новосибирск), так и для разработчиков серийной высокочастотной радиоаппаратуры на базе ЛОВ в таких организациях, как ННИПИ "Кварц" (г. Н. Новгород), и НПО "Исток", (г. Фрязино Моск. обл.).
Защищаемые положения:
-
Впервые получено и использовано для спектроскопии излучение на гармониках субмиллиметровой ЛОВ до частоты 1,524 ТГц. Умножение частоты излучения ЛОВ осуществлено на плоскостном диоде Шотткн.
-
Разработан и создан бесподстроечный смеситель - умножитель, обеспечивающий без дополнительных настроек и изменений в конструкции необходимую для работы системы ФАПЧ величину сигнала биений между опорным излучением промышленного синтезатора частот 78-118 ГГц и стабилизируемым излучением ЛОВ с частотой от 1G0 до 1000 ГГц.
-
Обнаружен эффект самогенерации гармоник в ЛОВ и продемонстрировано использование зтого эффекта в спектроскопии.
-
Продемонстрирована возможность широкодиапазонных спектроскопических исследований при управлении частотой излучения субмиллиметровых ЛОВ по перестраиваемому резонатору Фабри -Перо вплоть до Терагерцового диапазона частот.
-
Создан атлас вращательного спектра молекулы БОг в диапазоне частот от 0 до 1500 ГГц для использования этого спектра в качестве опорного при исследованиях.
Апробация результатов работы. Материалы диссертации докладывались на 7-ом и 8-ом Всесоюзных симпозиумах по молекулярной спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения в Томске, на 20-
ом Всесоюзном съезде по спектроскопии в Киеве, на 9-ой, 10-ой, 11-ой, 12-ой и 13-ой международных конференциях по молекулярной ИК спектроскопии высокого разрешения в Праге (Чехословакия) и Познань (Польша), на 1-ом Итальяно - Советском семинаре в Болонье, на 11-м и 13-м Европейских коллоквиумах по молекулярной спектроскопии высокого разрешения в Інссене (Германия) п Рпччноне (Италия), на ! 1-м, 47-м 49-м симпозиуме но молекулярной спектроскопии в Огайо (США), на симпозиуме п честь 90-летня Г. Гсрцбсрга в Сан-Аделе (Квебек, Канада), а также на научных семинарах НПФ РАН.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей в Российских и 10 и зарубежных журналах, а также 28 тезисов докладов в трудах Всесоюзных и международных конференций. Получено два авторских свидетельства.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем работы - 89 страниц, рисунков 30, таблиц 7, библиография 81 наименование.
