Содержание к диссертации
Криостатирование приемников электромагнитного излучения миллиметровых и субмиллиметровых волн
ВВЕДЕНИЕ 9
ГЛАВА 1. 22
Обзор. Исследования и создание криоэлектронных приемников
излучения ММ и СубММ волн.
1.1. Разработка супергетеродинных охлаждаемых приемников 2g
излучения ММ и СубММ диапазонов длин волн со смесителями на
входе и достижение предельно высокой чувствительности.
1.2 Охлаждаемые приемники со смесителями на диодах с барьером -^
Шоттки.
1.3. Сверхпроводниковые приемники. 50
1.4 Перспективные направления развития криоприемников ММ и eg СубММ волн.
Системы криостатирования приемников ^2
Проблемы ввода-вывода сигналов криоприемников.
Проблемы ПОГреШНОСТеЙ ИЗМереНИЙ И ЭТаЛОНОВ КрИОПрИеМНИКОВ. gg
ГЛАВА 2. 89
Анализ факторов, определяющих чувствительность приемников излучения.
2.1. Частотные и временные ограничения повышения 94
чувствительности радиометров и спектрометров ММ и СубММ волн.
Шумовая температура приемного устройства.
2.2. Предельное значение чувствительности приемных устройств с qj
линейным усилителем и преобразователем на входе. Пределы
допустимости приближений.
2.3. Сопоставление чувствительности преобразователей с gg
резистивным и реактивным смесителями.
2.4. Исследование влияния фона на чувствительность приемного і «2
устройства.
2.5. Исследование температурных зависимостей шумовых ілу
характеристик приемных устройств.
2.6. Оптимизация структурной схемы криорадиометра. »і q
ГЛАВА 3. 124
Исследование и разработка узлов и элементов криостатируемых
приемников излучения.
3.1. Исследование и разработка активных устройств криоприемников ^6
ДБШ-смесители в криоприемниках. Экспериментальное и теоретическое исследование их характеристик при криогенных температурах.
СИС -смесители и периферийные устройства для их применения в составе криоэлектронных приемников. Экспериментальное исследование характеристик СИС-смесителей в вакуумных криосистемах, охлаждаемых криорефрижераторами замкнутого цикла. Элементы макетов лабораторных стендов для исследования
*
болометров на горячих электронах.
3.2. Исследование и разработка пассивных элементов охлаждаемых ,^
приемников.
3.2.1 Методика и опыт создания и исследования криостатов и ,м
пакетирование входных устройств охлаждаемых приемников.
Разработка элементов конструкции систем криостатирования.
Проблемы стабильности температуры криостатируемых приемников.
Виброакустические характеристики рефрижераторных
криоэлектронных приемников и меры по снижению их влияния на приемник.
Разработка и исследование герметичных окон криоприемников . «
Анализ терморазвязывающих линий передачи лпд
ГЛАВА 4.
Создание и изучение характеристик спектральных и 181
радиометрических криоэлектронных комплексов для
астрономических и атмосферных исследований.
4.1. Разработка и исследование приемников для j g j
радиоастрономических наблюдений.
4.2. Создание элементов и модернизация комплексов для атмосферных ідо
исследований в коротковолновой части ММ диапазона волн.
4.4. Криостатирование матриц ПЗС большого размера. ^ОЗ
ГЛАВА 5
Лабораторные измерительные стенды и вопросы метрологии для 212 исследования криоприемников ММ и СубММ волн.
5.1. Исследование и разработка компонент интегральных ^уу
криостатируемых приемников ММ и СубММ волн.
Создание приборов глубоко охлаждения (0.3 К) 21Q
Анализ возможностей создания систем локального охлаждения. 293
5.4 Изучение возможностей применения ВТСП приборов для 226 высокочувствительных приемников излучения и создание высокотемпературных систем криостатирования
Анализ и элементы разработки перспективных направлений 233 применения криостатируемых приемных устройств.
Проблемы создания методик и измерительных систем для 235 исследований характеристик криоэлектронных приемников и их элементов.
Определение физической и шумовой температуры элементов 237 приемников по их собственным характеристикам
Создание и исследование характеристик низкотемпературных 243 эталонов шумового сигнала.
5.9. Измерение предельно низких шумов приборов СМ, ММ и СубММ 252
диапазонов длин волн и анализ погрешностей эталонов излучения,
проблема согласованных нагрузок, шумов изоляторов.
Приложение к диссертации
Описание двухчастотного двухполяризационного приемника ММ волн
266 для телескопа обсерватории Метсахови.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 310
ЛИТЕРАТУРА. 315
Список цитированной литературы -,, с
Список публикаций автора ,,«
Введение к работе
Актуальность.
Криостатирование или низкотемпературное (криогенное) охлаждение вплоть до температур ниже жидкого гелия (4К) входных элементов приемных систем, наряду с использованием в них сверхпроводниковых элементов, также требующих криогенного охлаждения, существенно повышает чувствительность приемников миллиметрового (ММ) и субмиллиметрового (СубММ) диапазонов длин волн, используемых для широкого круга задач и, в первую очередь, радиоастрономии и атмосферной спектроскопии.
В исследованиях и разработках последних трех десятилетий
убедительно показана перспективность использования криостатируемых
приемников указанных диапазонов не только в радиастрономических и
атмосферных исследованиях, но и других целей и применений, в частности,
в телекоммуникационных системах, устройствах радиовидения и т.д.
Криостатируемые приемники довольно давно вошли в практику и освоены в
промышленным производстве как в радиодиапазоне, так и в оптике.
Необходимо констатировать провал в освоении промежуточного диапазона,
включающего короткие ММ и СубММ в широком понимании волны (в т.ч.
терагерцовые (ТГц) волны и дальнее инфракрасное (ИК) излучение). Нет
адекватного освоения и криостатируемыми приемниками ММ и СубММ
диапазонов, Использование криостатируемой аппаратуры ММ и СубММ
диапазонов длин волн в физических исследованиях, а также промышленных
и военных применениях сдерживается трудностями подходов к ее
конструированию и согласованию ее элементов, дефицитом элементной
базы, работоспособной до криогенных температур. Дефицит связан с тем,
что здесь пока не отработаны методики создания и исследования
криоэлектронных приемников как единых радио- и теплофизического
комплексов. Отсутствует теоретическое обоснование выбора структуры оптимального приемника и его элементов. Не устоялись методики расчета и измерения шумовых, радио- и теплофизических характеристик приборов и устройств, работающих в чрезвычайно широком температурном диапазоне от комнатной температуры до температуры жидкого гелия и ниже. Недостаточно изучены свойства материалов, особенно новых, включая высокотемпературные сверхпроводники, в диапазоне криотемператур и условиях глубокого вакуума, применяемых в низкотемпературных приемниках.
В настоящее время различными группами разработчиков начинают формироваться элементы систематизированного подхода к решению проблем, связанных с созданием криоэлектронных приемных комплексов в диапазоне длин волн 0.1-1 ТГц: адекватным выбором элементов приемников, систем криостатирования и используемых материалов, решением вопросов метрологии. Это свидетельствует об актуальности формирования подхода к анализу и разработке высокочувствительной криостатируемой приемной аппаратуры диапазона 0.1-1 ТГц как единого радио- и теплофизического комплекса и выбранной соискателем темы исследования.
Работы по развитию методик и аппаратуры криоэлектронных приемных комплексов выполнялись автором в рамках планов НИР Института прикладной физики, лежащих в перечне приоритетных научных направлений исследований, утвержденных Российской академией наук и профильным министерством (ныне Минобрнауки), а также в рамках серии международных проектов (ИНТАС, МНТЦ, «НАТО во имя мира» и др.) и контрактов, что также подтверждает актуальность избранной темы.
Цель исследования
Изучение радио- и теплофизических процессов и характеристик систем и элементов высокочувствительной охлаждаемой до криогенных температур
приемной в основном супергетеродинной аппаратуры коротковолновой части миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн. Разработка и реализация комплексной методики ее моделирования, создания и тестирования.
Задачи исследования.
1. Оценить принципиальные ограничения чувствительности и определить
оптимальную, с точки зрения повышения последней, структуру
криостатируемого приемника в коротковолновой части ММ и СубММ
диапазонах длин волн. Такого рода приемники и являются основным
содержанием объекта представленного исследования.
Провести теоретический и экспериментальный анализ радио- и теплофизических характеристик криоэлектронных приемных систем и их элементов в диапазоне криотемператур, как главного предмета исследования.
Разработать и внедрить технические решения криостатируемых приемников диапазона 0,1-1 ТУц, их элементов и устройств для исследования их характеристик.
Провести исследования шумовых и теплофизических характеристик разработанной криоэлектронной аппаратуры в лабораторных и натурных экспериментах с использованием заимствованной и самостоятельно разработанной метрологической базы: методик, измерительных установок, эталонов - дополнительных элементов предмета настоящего исследования,
Создать серию лабораторных стендов и практически работающих приемных комплексов, предназначенных для астрономических и атмосферных исследований в коротковолновой части ММ-диапазона. Выполнить натурные исследования объектов с помощью созданной аппаратуры.
6. Оценить перспективы развития криостатируемых приборов для
приемников излучения и систем их криогенного охлаждения.
Научная новизна результатов исследования
Научная новизна исследований заключается в том, что впервые комплексно представлены радио - и тепло - физические основы разработки и тестирования криоэлектронных приемных устройств диапазона частот 0,1 - 1 ТГц как интегрированных комплектов радиоэлектронной аппаратуры и систем их криостатирования.
Впервые детально исследовано влияние фундаментальных и технических ограничений на чувствительность радиометров для набора типичных в коротковолновой части ММ и СубММ диапазонах длин волн внешних условий и параметров приемников.
Теоретически и экспериментально изучены шумовые характеристики малошумящих охлаждаемых приемников коротковолновой части ММ и СубММ диапазонов длин волн и их компонентов в диапазоне температур 4 -300 К. Аналитически и численно исследованы:
предельно достижимый флуктуационный порог чувствительности идеального радиометра и степень влияния на него квантовой эффективности преобразования преобразователя, потерь подводящего тракта и соотношения принимаемого сигнала к уровню фоновых излучений;
эквивалентная шумовая температура входа нерегулярной волноводной диссипативной линии с заданным законом изменения сечения, находящейся под воздействием перепада температур;
термометрические характеристики полупроводниковых и сверхпроводниковых приборов, применяемых для контроля или самоконтроля уровня их физической температуры;
параметры, определяющие в коротковолновой части ММ-диапазона погрешность чернотельных эталонов, используемых для аттестации шумовых характеристик криоэлектронных приемников и их элементов;
параметры систем охлаждения и теплофизические характеристики самих охлаждаемых устройств, необходимых для оптимизации конструкции приемных комплексов в ММ, СубММ, ИК и оптическом диапазонах;
возможности создания и ожидаемые параметры нанокриосистем для локального охлаждения элементов наноструктур приемных устройств ММ и СубММ волн с хладопроизводительностью на порядки меньшей, чем требуется для тотального охлаждения массивных входных модулей криоприемников.
На основе синтеза цепочечной формулы Фрииса и уравнения переноса разработана методика определения баланса шумов композиции каскадно соединенных температурно-зависимых распределенных и дискретных элементов, представляющих собой модели типичных элементов ММ и СубММ приемников;
Впервые созданная в отечественной практике высокочувствительная охлаждаемая приемная аппаратура коротковолновой части ММ-диапазона длин волн позволила провести обширный обзор радиоастрономических объектов в континууме и в спектральных линиях различных молекул (НСО+, CN, HCN, СО и т.п.) в ходе наблюдений на радиотелескопе РТ-22 Крымской астрофизической обсерватории.
Впервые созданный двухканальный двухполяризационный СИС-приемник для радиоастрономических наблюдений на радиотелескопе обсерватории Метсахови позволил провести серию наблюдений и снять пробные карты активных зон солнечной активности одновременно в двух ортогональных поляризациях и в двух частотных диапазонах. Подобные наблюдения в 2-миллиметровом диапазоне проведены впервые в практике обсерватории. Начата эксплуатация комплекса как спектрального приемника в режиме интерферометра со сверхдлинной базой.
Практическая значимость
Практическая значимость работы состоит в том, что создана серия внедренных в обсерваториях высокочувствительных приемников коротковолновой части ММ -диапазона с охлаждаемыми до криогенных температур входными элементами для радиоастрономических и атмосферных исследований, а также отдельные элементы криостатируемых приемников и системы криостатирования. В радиоастрономии примерно трехкратное снижение шумовой температуры охлаждаемых приемников, по сравнению с неохлажденными аналогами позволило почти на порядок сократить время наблюдений, сделать возможным наблюдение более слабых объектов и линий, провести картирование протяженных объектов, выявить тонкую структуру ряда спектральных линий межзвездных молекул.
Разработанные методики и устройства для измерения шумовых параметров криоэлектронных приемников и их элементов позволили существенно уменьшить погрешность стандартных методов измерения этих параметров, с высокой достоверностью оценить характеристики разработанной аппаратуры.
Изобретение автора "Способ определения температуры ДБШ" А.С. 1382132 позволяет существенно повысить точность определения физической температуры диодов, что необходимо для анализа шумов системы в целом; кроме того, указанный способ позволяет проводить экспресс-отбраковку диодных структур, непригодных к работе в условиях криогенных температур.
Опыт, методики, технологии разработки и отдельные компоненты криостатируемых устройств и систем криостатирования, представленные в рамках данного исследования, были многократно успешно применены при создании серии новых и модернизации ряда ранее разработанных приемных комплексов, используемых для атмосферных и астрономических исследований в диапазоне от коротких ММ-волн до оптики в ряде признанных мировых и отечественных обсерваторий.
Проведенные исследования промышленных образцов устройств и элементов криоприемников коротковолновой части ММ-диапазона длин волн: ДБШ, гибридно-интегральных смесителей и усилителей, предназначенных для использования при криогенных температурах, дали существенный импульс продвижению разработок криоприемников в широкий круг возможных применений от телекоммуникаций до систем радиовидения и комплексов, предназначенных для исследовательских, промышленных, военных и антитеррористических применений.
Перечисленные выше примеры практического внедрения результатов работы подтверждают её практическую значимость, вместе с тем, работа имеет и существенное теоретическое значение. В диссертации содержатся конкретные рекомендации по использованию изложенных теоретических научных выводов. Они могут быть использованы при создании криоэлектронных приемных комплексов и их компонент, при исследованиях разработанной аппаратуры и изучении природных и искусственных объектов при помощи этой аппаратуры. Результаты могут быть рекомендованы к применению в НИРФИ, ИФМ РАН, ННГУ, ИРЭ РАН, ФИ РАН им. П. Н. Лебедева, ИОФ РАН им. А. М. Прохорова, МГПУ, САО РАН, ОИЯИ, ФГУП «Исток», ФГУП НИИПП и др.
Апробация
Основные результаты работы доложены на научных семинарах ИПФ (1979 -2005 гг.), ИРЭ РАН (2001 г.), Горьковского политехнического института (Нижегородского технического университета) (1983, 1993 и 2002 гг.), на семинарах в Хельсинском университете технологии (Отаниеми) в 1993-2004 г.г., на областных конференциях НТО им. А.С Попова (1985, 1993 гг.), на I, IV и V Всесоюзных школах - семинарах по распространению ММ и СММ волн в атмосфере (Москва, 1983; Н.Новгород, 1991; Харьков, 1992); на 17-й, 18-й Всесоюзных конференциях по радиоастрономической аппаратуре (Ереван, 1985 и 1989 гг.), на 7-й Всесоюзной конференции
«Метрология в электронике» (Москва, 1988), на заседаниях совета по радиоастрономии Академии наук (1983, 1985, 1988), на межотраслевых научно-технических совещаниях в МВТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 1985, 1987), на 14-м межотраслевом совещании по технике СВЧ (Н. Новгород, 2005), на Международной конференции по аппаратуре ММ и ИК волн в Пекине 1989 г., на четвертом - восьмом Советско (Российско) - Финских симпозиумах по радиоастрономии в Ереване, Хельсинки и Санкт Петербурге (1990 - 1999 гг.), на межведомственной научно - технической конференции в Харькове (1992), на IEEE - МТТ - симпозиумах в Атланте (1993 г.) и Каннах (1994 г.), на XXVII радиоастрономической конференции «Проблемы современной радиоастрономии», Санкт-Петербург, 1997; на XII научно -технической конференции «Пути развития телевизионных фотоэлектронных приборов и устройств на их основе» 20 - 22 июня 2001 г. (Санкт-Петербург); на I - XI Нижегородских научных сессиях молодых ученых (1997 - 2005 п\), на третьей - пятой научных конференциях по радиофизике ННГУ (Н. Новгород, 1999 - 2003 гг.), на промежуточных и итоговой конференциях по научным проектам МНТП "Физика микроволн" и всероссийском семинаре по радиофизике ММ и СубММ диапазонов, Н. Новгород, 1995 - 2005 гг.; на VII, IX и X Всероссийских школах - семинарах МГУ "Физика и применение микроволн", Красновидово, Московская обл., (1999, 2003, 2005 г.г.); на 11-й Международной школе по радиофизике и электронике СВЧ. (Саратов, 1999 г.); на серии международных семинаров ИНТАС, МНТЦ и «НАТО во имя мира» в 1998 - 2005 гт, по проблемам создания интегрального СИС -приемника, Организации космических исследований Нидерландов, (Гронинген), в 1999 г.; на семинарах обсерватории Метсахови ХУТ (1992 -2005 гг.), на годичных сессиях нижегородской секции международного института инженеров по электронике IEEE (объединенная секция МТТ & ED) в 1999, 2001 и 2004 гг.; на 8-м съезде Российского астрономического общества и международном симпозиуме «Астрономия - 2005; состояние и
перспективы развития», на Первом рабочем совещании «Генерация и применение терагерцового излучения», г. Новосибирск, 2005 г. и т.д.
Публикации.
По теме диссертации автором сделано 76 публикаций. Получено 1 авторское свидетельство на изобретение, опубликованное в Бюллетене Изобретений. Среди публикаций:
17 статей в журналах, в т.ч.:
2 в зарубежных (IEEE trans, on МТТ и Experimental Astronomy),
13- в отечественных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов: Известия ВУЗов Радиофизика- 5 статей, Письма в астрономический журнал и Радиотехника и электроника -по 3, Известия РАН сер. Физическая и Вопросы радиоэлектроники - по 1.
2- в отечественных журналах, не вошедших в список ВАК: Астрономический циркуляр, Петербургский журнал электроники;
9 статей в сборниках (отчетах, книгах);
13 статей в сборниках трудов конференций;
32 тезисов докладов на конференциях, в т.ч. 11 международных;
4 препринта ИПФ;
1 препринт ОИЯИ;
1 методическое пособие ННГУ;
1 авторское свидетельство;
кандидатская диссертация (рукоп.)
Из 76 публикаций 49 опубликованы после защиты кандидатской диссертации (1993г. и позже).
Соавторство: статья в Радиофизике (2005 г.), одни из тезисов и изобретение опубликованы без соавторов, все остальные работы из списка публикаций выполнены в соавторстве с сотрудниками, аспирантами и
студентами ИПФ РАН и другими сотрудниками отечественных и зарубежных исследовательских центров и институтов. 8 публикаций выполнены с одним соавтором (трижды- с И.И.Зинченко, дважды с А.И.Лютиком, по одному разу с И.В.Лапкиным, Д.В.Коротаевым и А.Д.Лапидусом).
В остальных работах два и более соавторов. При этом вклады соавторов в опубликованных работах можно считать равноправными. Значительное число соавторов обусловлено комплексностью выполнявшихся работ с большим числом участников разработки и выполнения экспериментов со сложными аппаратурными комплексами. В большей части опубликованных работ вклад автора диссертации состоял в постановке задачи, планировании эксперимента, анализе и интерпретации полученных данных, подготовке основы текста публикаций. Касательно журнальных публикаций это в полной мере относится к [А1, A3, А4, А8, А12, А13, А14, А18, А19, А21 А27-31, А37, А38, А40-42, А45, А48, А53, А56, А60, А61, А65, А67-71, А75, А76]. В публикациях, посвященных сложным комплексам [А2, А5-7, А9-11, А15-17, А20, А22-26, А32, АЗЗ, А35, А36, А39, А43, А44, А46, А47, А49-52, А54, А55, А57, А58, А62, А73, А74], это утверждение касается результатов, относящихся к разработке, моделированию и тестированию криостатируемых приемников. Вклад соавторов в эти работы равноценен. Значительное число соавторов обусловлено комплексностью выполнявшихся работ с большим числом участников разработки и выполнения экспериментов со сложными аппаратурными комплексами. Вклад автора диссертации, в статьях [34, 59, 62, 66, 68] состоит в техническом и организационном обеспечении экспериментальной базы представленных исследований и обсуждении результатов. Роль научного консультанта (проф. А.ПКислякова), состояла в постановке задач и взыскательной критике подготовленных текстов, особенно на начальном этапе работ [А1-3]. Сотрудничество с А.Г.Кисляковым продолжилось и после защиты кандидатской диссертации серией совместных докладов и статей [А34, А46,
A47, A52, A54], вклады соавторов в которых равноценны. Статья [А73], доклад [А63] и изобретение [А8] опубликованы соискателем без соавторов. Все остальные работы из списка публикаций выполнены в соавторстве с сотрудниками, аспирантами и студентами Института прикладной физики и другими сотрудниками отечественных и зарубежных исследовательских центров и институтов. 8 публикаций выполнены с одним соавтором (трижды-с И.И.Зинченко, дважды с А.И.рютиком, по одному разу с И.В.Лапкиным, Д.В.Коротаевым и А.Д.Лапидусом). В остальных работах два и более соавторов. При этом вклады соавторов в опубликованных работах можно считать равноправными.
Структура и объем диссертации
Материалы диссертации изложены на _352 страницах текста и состоит из
введения, обзора литературы, четырех глав, излагающих собственные результаты автора, заключения, приложения и списка литературы. Диссертация содержит 65 рисунков, и 18 таблиц. Библиография включает 210 названий.
Порядок изложения материала.
