Введение к работе
Диссертация посвящена экспериментальному исследованию НЕВ смесителей на основе тонких пленок NbN. В работе исследовались полоса преобразования квазиоптического НЕВ смесителя с двумя каналами энергетической релаксации - фононным и диффузионным, а также стабильность и флуктуационная чувствительность приемника на основе волноводного НЕВ смесителя.
Актуальность исследования
Исследования в терагерцовой области спектра электромагнитного излучения (0.3 ТГц - 3 ТГц) являются важной задачей наблюдательной астрономии [1, 2, 3, 4]. Определенные процессы в «жизненном цикле» межзвездного вещества, в Млечном Пути и других галактиках имеют характерные линии испускания и поглощения, лежащие в терагерцовой области. Молекулярные соединения такие, как СО, CS, SO, S02, НСО+, HCN, С, N+ и С+, могут наблюдаться в этой части спектра электромагнитного излучения. Таким образом, наблюдения, проведенные в терагерцовой области, могут способствовать лучшему пониманию явлений, протекающих в гигантских межзвездных молекулярных облаках и областях формирования звезд, а также дать информацию о различных процессах, протекающих в Млечном Пути и других галактиках. Однако наблюдения в терагерцовой области спектра довольно затруднены, главным образом, из-за сильного ослабления электромагнитного излучения этого диапазона земной атмосферой, поэтому телескопы необходимо распологать в высокогорных областях (RLT [1], SMA [5], ALMA [6]) или базировать на самолетах (SOFIA [7]), или запускать в космос (Herschel [8]).
До недавнего времени основными приемниками в терагерцовой диапазоне являлись приемники на диодах Шоттки (ДБШ), работающие в широком диапазоне температур [9]. Однако такие приемники требуют большой мощности гетеродина (порядка нескольких милливатт), что трудно достижимо на частотах порядка 1 ТГц и выше из-за отсутствия мощных перестраиваемых твердотельных источников излучения. В настоящее время на частотах ниже 1 ТГц безусловными лидерами являются смесители на туннельном переходе свехпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС смесители) из-за их низкой шумовой температуры (несколько hv/кц) и стабильности по отношению к флуктуациям мощности гетеродина во время работы. К сожалению, шумовая температура СИС смесителя резко возрастает, когда частота излучения приближается или превышает величину энергетической щели сверхпроводящего материала, из которого он изготовлен [10].
Смесители на эффекте разогрева электронов в резистивном состоянии
сверхпроводников (hot-electron bolometer (HEB) mixer) [11] были выбраны для терагерцовой астрономии из-за того, что они не имеют частотных ограничений по механизму смешения [12], обладают низкой шумовой температурой (менее ІКУГГц), и отностильно широкой полосой преобразования [13, 14, 15, 16], а также требуют гораздо меньшей мощности гереродина, чем смесители на диодах Шоттки (ДБШ смесители). Поэтому в гетеродинном инструменте для дальней ИК области (Heterodyne Instrument for the Far-Infrared - HIFI), который запущен на борту космической обсерватории Herschel HEB смеситель используется для полосы частот 1410-1910 ГГц [8]. Два гетеродинных приемника, CASIMIR и GREAT, на основе НЕВ смесителей, работающих в частотных диапазонах 1.2-2.1 ТГц и 1.5-5 ТГц, будут запущены на борту самолетной обсерватории SOFIA [7]. НЕВ смеситель будет использован для наблюдений на частоте 1.8 ТГц в проекте балонного базирования TELIS [17]. Наземный телескоп APEX, расположенный в Северном Чили (Llano de Chajnantor) на высоте 5105 м над уровнем моря использует НЕВ смеситель для покрытия частотного диапазона 1250-1384 ГГц [18]. Receiver Lab Telescope, построенный в Гарвард-Смитсониевском астрофизическом центре в настоящее время один из немногих наземных телескопов, работающих на частотах 0.8-1.5 ТГц. [19]. Проект МИЛЛИМЕТРОН [20], разрабатываемый Астрокосмическим Центром ФИАН им. П. Н. Лебедева, будет использовать НЕВ приемники для проведения наблюдений на частотах выше 1 ТГц.
Несмотря на неоспоримые преимущества НЕВ смесителей по сравнению с другими приемниками на частотах выше 1 ТГц, ведется поиск лучших характеристик — более низкой шумовой температуры и широкой полосы преобразования, а также улучшения стабильности. В настоящее время полоса преобразования практических НЕВ приемников не превышает 4 ГГц. Что касается гетеродинной спектроскопии, то более широкая полоса преобразования может позволить наблюдать несколько относительно узких спектральных линий или одной широкой линии (например, в случае быстро вращающегося объекта происходит доиплеровское уширение линий) без необходимости перестраивать частоту гетеродина, процедуры не только нежелательной, но и иногда практически невозможной. В радиометрах, в простейшем случае, температурное разрешение обратно пропорционально квадратному корню из полосы детектирования и улучшается при уменьшении шумовой температуры приемника. Таким образом, увеличение полосы детектирования/преобразования и уменьшение шумовой температуры являются важными практическими задачами.
В реальности, для наблюдения большинства астрономических объектов на терагерцовых частотах требование, чтобы приемник имел низкую шумовую температуру, часто недостаточно для достижения нужного отношения сигнал-
шум, т.к. принимаемый сигнал обычно очень слабый. Эффективная температура антенны, соответствующая линии испускания в молекулярных облаках, часто на несколько порядков ниже, чем шумовая температура приемника. Если шум в системе полностью некоррелирован, т.е. он белый, тогда можно достичь любого отношения сигнал-шум просто за счет увеличения времени интегрирования, т.к. в этом случае вклад шума будет уменьшаться обратно пропорционально квадратному корню из произведения полосы приемника и времени интегрирования. Однако обычно в системе присутствуют другие виды шума, именно І/f (фликер) шум и дрейф, что делает увеличение времени интегрирования бесполезным (в случае І/f шума) или вредным (дрейф). В настоящее время для НЕВ приемников оптимальное время интегрирования (время Аллана) меньше 1 секунды [21] и вопрос возможности его увеличения остается открытым.
Таким образом, актуальность диссертационной работы заключается в исследовании путей расширения полосы преобразования НЕВ смесителей, а также возможностей улучшения стабильности приемников на их основе.
Целью диссертационной работы является исследование НЕВ смесителей терагерцового диапазона, изготовленных из тонких (3.5 нм) сверхпроводящих пленок NbN, которые наряду с широкой полосой преобразования обладали бы высокой стабильностью.
Объектом исследования при измерении ширины полосы преобразования являлись квазиоптические смесители, изготовленные из пленок NbN толщиной 3.5 нм, напыленные на подложки из высокоомного Si. Для исследования возможности улучшения стабильности, а также для проведения измерений температурного разрешения НЕВ приемника использовались волноводные смесители, рассчитанные на частоту гетеродина 0.8 ТГц и изготовленные из пленок NbN толщиной 3.5 нм, напыленные на подложки из кристаллического кварца Z-ориентации с подслоем MgO. Были поставлены следующие задачи:
Исследовать возможность расширения полосы преобразования НЕВ смесителей с фононным каналом охлаждения горячих электронов путем включения их дополнительного диффузионного охлаждения.
Исследовать возможность компенсации влияния флуктуации мощности гетеродина путем контролируемого инжектирования СВЧ излучения одновременно с излучением гетеродина.
Провести прямые измерения температурного разрешения НЕВ приемника на основе смесителя с фононным каналом охлаждения в радиометрическом и спектроскопическом режимах.
В процессе работы были получены следующие новые научные результаты: 1. Изготовлен и исследован НЕВ смеситель с фононным каналом
охлаждения электронной подсистемы и дополнительным диффузионным каналом, имеющий рекордную полосу преобразования.
Исследована система компенсации влияния флуктуации мощности гетеродина на рабочую точку НЕВ смесителя путем контролируемого инжектирования СВЧ излучения одновременно с излучением гетеродина.
Проведены прямые измерения температурного разрешения НЕВ приемника на основе смесителя с фононным каналом охлаждения в радиометрическом и спектроскопическом режимах.
На защиту выносятся следующие положения:
Полоса преобразования NbN НЕВ смесителя с in situ Au контактами зависит от длины смесительного элемента. Зависящий от длины L вклад в полосу преобразования пропорционален 1/L2, что однозначно указывает на диффузионное охлаждение горячих электронов в NbN НЕВ смесителях.
Квазиоптические НЕВ смесители при длине 0.112 мкм с in situ золотыми контактами имеют рекордную полосу преобразования 6.5 ГГц, что почти в два раза превышает типичное значение 3.5 ГГц, полученное для NbN НЕВ смесителей на Si подложках с ex situ золотыми контактами.
Применение СВЧ цепи обратной связи позволяет устранить дрейф выходной мощности НЕВ приемника, обусловленный флуктуациями мощности гетеродина, таким образом увеличивая время Аллана до 10 с, что на порядок превышает типичное значение 1 с без использования активного контроля рабочей точки смесителя.
При использовании СВЧ цепи обратной связи температурное разрешение НЕВ приемника улучшается с 1.0 К до 0.7 К в радиометрическом режиме и с 2.8 К до 1.7 К в спектроскопическом режиме.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в расширении полосы преобразования НЕВ смесителей с фононным каналом охлаждения путем открытия дополнительного диффузионного канала, а также улучшении стабильности НЕВ приемника на основе смесителя с фононным каналом охлаждения путем контролируемого инжектирования СВЧ излучения одновременно с излучением гетеродина. В целом, работа направлена на разработку стабильных широкополосных НЕВ приемников для применения в терагерцовой радиоастрономии. Исследованные НЕВ смесители непосредственно используются на телескопе RLT (Receiver Lab Telescope) Гарвард-Смитсониевского астрофизического центра для проведения наблюдений на частотах 0.8-1.5 ТГц.
Публикации. Основные результаты проведенных исследований
опубликованы в 6 печатных работах и представлены в 6 докладах на российских и международных конференциях. В журналах из списка ВАК опубликовано 2 работы. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Объем и структура диссертации. Общее количество страниц в диссертации составляет 112. Диссертация включает 4 главы, 26 рисунков и 3 таблицы. В библиографию включает 93 наименования.
