Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Современное состояние проблем создания высокоскоростных беспроводных каналов передачи данных 10
1.1 Развитие высокопроизводительных телекоммуникационных каналов 10
1.2 Основные проблемы создания беспроводных ТГц-каналов .
1.2.1 Приёмники ТГц-диапазона частот 16
1.2.2 Источники ТГц-излучения 26
1.2.3 Среда 28
1.2.4 Криовакуумные системы. 30
1.3 Выводы 31
ГЛАВА 2 Предельная ёмкость телекоммуникационных тгц-каналов и техника её реализации . 32
2.1 Расчёт ёмкости ТГц-канала 33
2.2 Развитие систем космической телекоммуникации с криоэлектронными компонентами 42
2.3 Вывод 51
ГЛАВА 3 Проблемы создания криоэлектронных устройств телекоммуникационного канала тгц-диапазона 52
3.1 Проблемы термометрии при низких температурах 52
3.2 Проблемы температурных осцилляций, связанных с механическими охладителями приёмных устройств . 58
3.3 Проблемы виброакустических, микрофонных эффектов, связанных с механическими охладителями приёмных устройств. 70
3.4 Выводы 76
ГЛАВА 4 Исследование характеристик приёмных элементов ТГЦ диапазона . 78
4.1 Создание аппаратно-программных средств для измерения вольтамперных характеристик 78
4.2 Создание аппаратно-программных средств для исследования характеристик приёмных элементов ТГц-диапазона 89
4.3 Создание оснастки для изучения оптических характеристик болометров на холодных электронах 92
4.4 Выводы 99
Заключение 100
Список литературы 102
- Основные проблемы создания беспроводных ТГц-каналов
- Развитие систем космической телекоммуникации с криоэлектронными компонентами
- Проблемы температурных осцилляций, связанных с механическими охладителями приёмных устройств
- Создание аппаратно-программных средств для исследования характеристик приёмных элементов ТГц-диапазона
Основные проблемы создания беспроводных ТГц-каналов
Все вышеперечисленные проблемы с безопасностью, тем не менее, решаемы и присущи и как беспроводным, так и отчасти проводным каналам передачи данных, а продвижение же в ТГц часть спектра позволит кардинально повысить скорость передачи данных в беспроводных каналах. Однако же, что касается космического применения данного канала, то дополнительным плюсом, в плоскости безопасности канала, является малая мощность излучаемого сигнала. ТГц часть электромагнитного спектра располагается между инфракрасным и микроволновым излучением, как показано на рисунке 1.3. Приближённо его определяют от 0,1 ТГц(3мм) до 10 ТГц (0,3 мм). Есть и более узкое понимание от 0,3 до 3 ТГц
В современной радиотехнике и физике освоение ТГц-диапазона частот является одним из перспективных и активно развивающихся направлений. На сегодняшний день атмосферная спектроскопия и радиоастрономия являются главными формирователями требований к создаваемым на сегодняшний день приёмникам ТГц-диапазона частот. Существующие образцы приёмников являются уникальными и дорогими, и только массовый подход с обозначением телекоммуникационных задач позволит развить не дорогие и надёжные технологии. Пример тому имеется [16]. В частности, И. В. Кукушкиным с соавторами создана матрица наноструктур в размере «мыльницы», которая показывает возможность реализовать подходы по созданию устройств стоимостью порядка сотни долларов и комплексных досмотровых систем на их основе ценой до 700000 руб.
ТГц-приёмники являются ключевым элементом систем телекоммуникаций, систем радиовидения, в миссиях по исследованию атмосферы Земли. Однако именно космические приложения формируют самые амбициозные требования по достижению предельных характеристик: по чувствительности, по разрешению и так далее, после чего решение большинства наземных задач оказывается несравнимо более простым.
Так, международный проект TELIS (TErahertz LImb Sounder) [17] был нацелен на дистанционное исследование атмосферы в диапазоне 450-650 ГГц с использованием высотных аэростатов путём наклонного сканирования. Кроме того, в качестве направлений использования таких приборов следует отметить следующие области:
Безопасность и военные приложения. Обнаружение и идентификация взрывчатых веществ, биологически, химически, и др. опасных веществ, выявление предметов и определение их принадлежности через оптически непрозрачные преграды (широко распространённый для этих целей рентген всё же наносит вред живым организмам и доза облучения жёстко ограничена). В военных приложениях ТГц-диапазон может найти себя за счёт более низкого влияния на волны данного диапазона частот как искусственных, так и естественных помех. Ну и, конечно же, пока что у возможных конкурентов в военной сфере нет технических средств постановки помех в ТГц-диапазоне. Химия и биомедицина. Благодаря свойствам ТГц-излучения возможно более детальное исследование клеточных структур, сложных химических соединений, их поведения и состава. Спектральный анализ состава выдыхаемого воздуха отрывает перспективы не инвазивной диагностики ряда болезней [18]. ТГц-томография позволит обследовать верхний покров тела человека – кожу, а так же мышечную ткань и кровеносные сосуды (до нескольких см вглубь), детальное исследование опухолей без проникновения. Электроника и физика. Исследование новейших материалов, мето-/нано- материалов, их свойств и состава, диагностика узлов движителей и т.д. Окружающая среда. Мониторинг и охрана окружающей среды, виденье в условиях тумана/дыма, определение загрязнения среды продуктами индустриальной деятельности человека в самых мельчащих концентрациях. ТГц-приёмники характеризуются основными параметрами, среди которых рабочая частота и полоса, задаваемая спецификой задачи. Критическим параметром для большинства приложений является чувствительность, которая определяет и ёмкость ТГц-канала и объекты, которые могут быть наблюдаемы в космических приложениях. При этом задача обнаружения сверхслабых сигналов отчасти решается заданием времени накопления, которое пропорционально квадрату шумовой температуры приёмника. Однако есть задачи, где время накопления ограничено. Таким образом, при создании приёмного устройства необходимо тщательно произвести выбор нелинейного элемента поскольку, чем больше нелинейность, тем больше чувствительность. Необходимо так же отметить вклад рабочей (криогенной) температуры и собственные шумы приёмного комплекса. Немаловажно помнить об особенностях самого терагерцового диапазона частот, так как в данном диапазоне наблюдается существенное поглощение сигнала кислородом и парами воды, содержащимися в атмосфере. Для нивелирования эффекта поглощения ТГц-сигнала атмосферой приёмники располагают на значительной высоте: в горах [19], на борту, самолётов, аэростатов [20], спутников [21]. Говоря о приёмниках расположенных на спутниках, особо критичным становится энергопотребление, вес, габариты приёмников. Ввиду дороговизны запусков и ограниченности ресурсов и, подчас, именно эти параметры становятся главными при определении прибора, который будет установлен. Многие приёмники ТГц-диапазона построены по схеме супергетеродина и требуют наличия гетеродина – внешнего источника, что опять же сказывается на габаритах системы, а так же на сложности и, как следствие, цене системы. Причём для гетеродинов применяются самые высокие требования по шумам и диапазону перестроения.
Приёмники ТГц-диапазона частот – это не только комплекс электронной и наноэлектронной аппаратуры, требующей высоких технологий, но и, как правило, вакуумная техника высокой культуры и криогенная техника. Поскольку ТГц-диапазон, строго говоря, массово коммерчески не освоен, поэтому стоимость отдельных приборов достигает десятком миллионов рублей за экземпляр, это является существенным ограничением для широкого применения. Однако с появлением массового потребителя, который придёт в первую очередь в телекоммуникации, как это произошло с системами мобильной связи, произойдёт удешевление оборудования. Уже имеются первые результаты по созданию недорогих систем ТГц-диапазона для систем радиовидения [16].
Существует два основных класса терагерцовых приёмников: прямые и когерентные детекторы. Ниша, которую занимают когерентные приёмники – это приём излучения с определёнными спектральными особенностями, например определение профиля атмосферных или межзвёздных молекулярных линий. В данных приёмниках получаемый сигнал смешивается на нелинейном элементе (смеситель) с колебаниями гетеродина, затем происходит усиление и детектирование сигнала ПЧ (промежуточной частоты). Наиболее распространёнными стали гетеродинные приёмники со смесителями, в которых используются туннельные переходы СИС (сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник).
Поскольку информация о фазе принимаемого сигнала не теряется, то высокое спектральное разрешение данных приёмников является несомненным плюсом по сравнению с другими. К недостаткам когерентных приёмников относят наличие того, что их чувствительность ограничена фундаментальным пределом, а именно шумовой температурой приёмника, а при его высоком качестве и квантовым пределом чувствительности, вытекающим из принципа Гейзенберга. Именно когерентные приемники пригодны и для телекоммуникаций. Для радиоастрономии используются приёмники и супергетеродины и прямого детектирования. Приёмники прямого детектирования регистрируют широкополосное излучение и чувствительность приёмников данного типа составляет одну сотую К. Предназначение приёмников данного типа – это поиск и детектирование объектов, испускающих предельно слабое излучение, таких, как космические объекты, расположенные на большом расстоянии или, например, газопылевые облака, звёзды в стадии формирования или планетные системы. Однако столь высокая чувствительность прямых детекторов не является однозначным преимуществом прямых детекторов над гетеродинными, т.к. прямые детекторы детектируют только амплитуду сигнала, ибо являются широкополосными по своей природе. Хорошо известным представителем прямых детекторов являются болометры, которые, однако, могут быть использованы не только как прямые детекторы, но и в качестве преобразователей [22] [23].
Классический супергетеродин с усилителем на входе.
Наиболее продвинутыми в плане доступности и использования в различных системах являются ТВПЭ – астрономы используют на 3мм(100ГГц), в лабораториях существуют на 1 и 2 мм, и есть отдельные сообщения о преодолении рубежа в 1 мм (360ГГц). Но наряду с ТВПЭ есть сообщения, что к рубежу 0,5 ТГц подходят биполярные структуры(BJT).
При решении задачи приёма СВЧ хорошо зарекомендовала себя схема с применением усилителя. И одним из ярких представителей является транзистор с высокой подвижностью электронов. Данный транзистор относится к классу полевых, однако есть существенное отличие от МОП-транзисторов. В транзисторе с высокой подвижность электронов для создания канала используется контакт, изготовленный из двух полупроводящих материалов у которых различная ширина запрещённой зоны, в МОП-транзисторах же используется легированная область. В зарубежных источниках транзистор с высокой подвижностью электронов обозначают как High Electron Mobility Transistor(HEMT). Транзисторы с высокой подвижностью электронов применяются там, где необходим низкий шум на высоких частотах при высокой степени усиления сигнала, т. е. для задач радиоастрономии, радарных задач, задач организации связи в ТГц-диапазоне частот. Использование транзисторов с высокой подвижностью электронов даёт возможность производить усиление по мощности на частотах выше 1 ТГц, а так же по току при частотах свыше 600 ГГц. Однако есть и другая особенность данных транзисторов – это работа при криогенном охлаждении, при котором существенно улучшаются характеристики усиления данного транзистора. В январе 2010 г. исследовательская группа, состоящая из представителей Японии и Европы, опубликовала результаты разработки транзистора с высокой подвижностью электронов с рабочей частотой 2.4 ТГц.
Усилитель предназначен для усиления слабых сигналов, при этом, не внося хаотической составляющей (шума) и не искажая их. Основным недостатком наиболее распространённых электронных усилителей является то, что они всегда вносят в сигнал дополнительный шум, а работая с чрезвычайно слабыми сигналами, необходимо минимизировать этот дополнительный шум. К подобным крайне слабым сигналам можно отнести радиолокационные сигналы, излучение, принимаемое наземными станциями от небесных объектов. Наблюдение данного сигнала на фоне неба, вносящего лишь незначительную составляющую в общий шум, определяется шумами самого приёмника. В условиях такой постановки задачи обычные усилители уже не подходят и необходимо использовать квантовые усилители, которые практически не вносят шум. Например, замена на входе приёмника усилителя на электронных лампах на квантовый усилитель позволяет повысить чувствительность приёмника в сто раз. Чувствительность СВЧ-приёмников с квантовым усилителем на входе позволяет детектировать реликтовое излучение, определять температуру поверхности космических объектов. Квантовые усилители основаны на явлении вынужденного излучения. У вынужденного излучения частота и фаза совпадает с частотой и фазой приходящей волны, а значит, при прохождении волны через среду, она увеличивает свою интенсивность. Необходимо отметить важность подбора активной среды, поскольку частота вынужденного излучения строго определяется дискретными энергетическими уровнями атомов и молекул данной среды. Однако данный подход обеспечивает подчас незначительный коэффициент усиления – порядка 1%. Для того, чтобы повысить коэффициент усиления, необходимо увеличить время контакта волны со средой. Этого можно добиться, используя камеру с отражающими стенками, в которую заключена активная среда. В этом случае поперечная волна отражается от стенок, тем самым увеличивается время контакта волны со средой и, значит, увеличивается коэффициент усиления. Для достижения такого эффекта, размеры камеры должны быть размерами порядка длины волны, а её длина, должна быть равна длине волны. В связи с этим, при изготовлении резонатора для ТГц-диапазона частот возникают трудности, связанные с тем, что длина волны, а значит и размеры камеры должны быть в диапазоне 3—0,03 мм
Развитие систем космической телекоммуникации с криоэлектронными компонентами
При участии автора коллективом разработчиков из ИПФ РАН, НГТУ им. Р.Е.Алексеева, ОКБ МИ, ОКБ «Развитие высоких технологий» создана система дальней космической связи, но на более длинноволновом диапазоне, не сумевшая поработать на титульной задаче в связи с неудачей миссии Фобос-Грунт [69]. Тем не менее, спутник РадиоАстрон [70], работающий на сильно вытянутой эллиптической орбите, успешно сопровождался при помощи этой системы и зарекомендовал себя удовлетворительно.
Потребности дальней космической связи достаточно уникальные и поэтому существующие наземные инструменты не имеют на сегодняшний день возможности организовывать коммуникации на миллионы километров. Возможны два пути при реализации коммуникационного канала для дальнего космоса – это либо наращивание мощности передающих устройств, либо снижением собственных шумов приёмников. Последний подход является более перспективным, так как позволяет ценой не слишком большого повышения уровня мощности излучателя достичь надёжной связи с объектами дальнего космоса. Одной из составляющих при реализации данного подхода является создание высоконадёжного малошумящего приёмо-передающего тракта. Задача создания предельно эффективного, высоконадёжного малошумящего приёмо-передающего тракта для крупной антенной системы, предназначенной для решения коммуникационных задач в Х диапазоне волн, является чрезвычайно сложной и компромиссной с точки зрения одновременного достижения предельной чувствительности, наряду с присутствием мощного излучаемого сигнала в том же антенном тракте. В связи с этим, задача распадается на две отчасти противоречивые задачи. Прежде всего необходимо обеспечить предельно высокую чувствительность приёмника за счёт всемерного снижения его собственной шумовой температуры. Данная задача, в том числе в Х-диапазоне частот традиционно решается за счёт использования самой передовой элементной базы и криогенного охлаждения элементов входного тракта, вносящих ключевой вклад в общие шумы системы.
Очевидно, что ключевой проблемой создания приёмо-передающего тракта со столь уникальным набором характеристик уже становится проблема высокоэффективной, но в то же время не вносящей значимых потерь в приёмник развязки. Столь высокая чувствительность приёмника делает весьма вероятным его выход из строя под воздействием киловаттных сигналов передающего тракта, причем здесь уже могут сыграть драматическую роль не только прямое прохождение через развязки (здесь стоит очевидная техническая проблема конструирования и изготовления адекватной специализированной элементной базы), но и сигналы, которые могут просочиться через недостаточно качественно выполненные фланцевые соединения волноводов и т.п.
Элементная база для создания телекоммуникационного канала в X-диапазоне.
Для построения телекоммуникационного ТГц-канала необходимо множество элементов. Среди данных элементов хотелось бы выделить элементную базу усилительной техники. На сегодняшний момент действительно надёжной усилительной техники в ТГц-диапазоне нет. Однако этой тематикой сейчас активно занимаются. Предшествующий ТГц-диапазону Х-диапазон (длинноволновый мм) в этом смысле более освоен. И именно в Х-диапазоне уже реализуются коммерческие предложения по организации беспроводных телекоммуникационных каналов. Особенностью Х- диапазона длин волн, обусловленной наличием высокоэффективной элементной базы усилительной техники на сегодняшний день – это, прежде всего, так называемые НЕМТ (high electron mobility transistors) – транзисторы с высокой подвижностью электронов - по сути полевые транзисторы и HBT (hetero structure bipolar transistors) – биполярные транзисторы на гетероструктурах [71]. На рисунке 2.7 представлена фотография и эквивалентная схема каскада на ТВПЭ усилителей от Х диапазона и вплоть до СубММ волн.
Последние активно прогрессируют в последние годы, однако, обширный научно-технический задел ТВПЭ на сегодняшний день обеспечивают их полную конкурентоспособность и возможность достижения уровня собственных шумов криогенного МШУ в окрестностях 4-8К в Х –диапазоне.
Особенности указанной элементной базы диктуют довольно мягкие требования к криогенному обеспечению, способному создать необходимый уровень криостатирования, достаточный для достижения предельных параметров используемых транзисторных сборок. Это весьма умеренный по современным понятиям уровень, обеспечиваемый криорефрижераторами замкнутого цикла водородного уровня температур – 5-15К. Широкий круг производителей (Leybold, Janis, Sumitomo, Cryomech, Air Liquid и др.) предлагают обширный спектр ГКМ. Типичная ГКМ, работающая по принципу пульсационной трубы, представлена на рисунке 2.8, слева собственно охладитель, справа инкорпорированная в вакуумный криостат, предназначенный для установки криогенного ТВПЭ МШУ.
Использование газовых криорефрижераторов предпочтительнее альтернативных вариантов криостатирования, в частности применение криоаккумуляторов на базе жидких криоагентов. Жидкий азот относительно дёшев и доступен, однако, даже при откачке паров не в состоянии обеспечить охлаждение ниже температуры тройной точки азота или 65 К, что явно недостаточно для достижения предельных параметров транзисторных МШУ Х-диапазона длин волн. Жидкий водород, способный обеспечить нужный уровень температуры криостатирования представляет собой довольно взрывоопасный газ и требует особых условий эксплуатации, поэтому также не представляется достойным кандидатом для охлаждения КМШУ, жидкий гелий потенциально с запасом перекрывает требование по уровню температуры криостатирования. Однако его стоимость и ограниченная доступность делают подобную схему неконкурентоспособной по сравнению с существующими системами криостатирования на базе криорефрижераторов или газовых криогенных машин (ГКМ). Последние, разумеется, требуют более значительных стартовых капвложений в оборудование (стоимость криостата с ГКМ вдвое – втрое выше, чем заливного криоаккумулятора), которые, однако быстро окупаются за счёт меньших эксплуатационных расходов и удобства эксплуатации.
Проблемы температурных осцилляций, связанных с механическими охладителями приёмных устройств
Частотное разрешение приведённых на рисунке 3.25 спектров составляет 0.2Гц. Ширина дискретных составляющих существенно меньше, что видно из рисунка 3.26, на котором изображены амплитудные спектры в контрольной точке на нижней пластине, полученные при различном частотном разрешении.
Достаточно высокий уровень собственных шумов, использованного на данном этапе измерительного канала, и ограниченное время регистрации не позволяет провести достоверное измерение спектра вибрации в диапазоне вблизи нулевых частот. Расширить частотный диапазон в область низких частот можно с помощью акселерометров со встроенным усилителем. Рекомендуется также рассмотреть возможность использования оптического метода измерения вибраций (лазерного виброметра), работоспособного, в частности, при рабочей температуре объекта.
Усреднённый амплитудный спектр виброперемещений (частотное разрешение 0.2Гц). Все механизмы и охладитель включены. Красная кривая - контрольная точка в центре нижней пластины, чёрная кривая - на краю нижней пластины. Легенда даёт интегральные значения амплитуд виброперемещения в полосе 8-200Гц. Следует обратить внимание на неравномерность уровня вибраций по низкотемпературной пластине, где размещается приёмник. На рисунке 3.27 приведены усреднённые амплитудные спектры виброперемещения для двух контрольных точек в центре (красная кривая) и на краю (чёрная кривая) нижней пластины в рабочей зоне установки. Как видим, уровни вибрации в узких частотных полосах могут отличаться для разных точек пластины на величину 20 дБ; интегральные уровни на 6дБ.
Размещение такого рода аппаратуры на 10ом этаже, где сейчас располагается оборудование лаборатории криогенной наноэлектроники, приводит к тому, что на исследуемых образцах видится влияние проезжающих рядом автобусов и прохождение людей по этажам. В ходе измерений отмечено существенное влияние внешних помех в помещении на уровни измерений, что связано с отсутствием принятых мер по виброизоляции установки от пола при её размещении.
По результатам вибрационных испытаний стенда можно сформулировать следующие выводы: вибрации в рабочей зоне определяются периодическим воздействием охладителя, ширина дискретных составляющих вибраций заведомо 0.1 Гц; — ровни виброперемещения на узкополосных составляющих в контрольных точках на нижней пластине в рабочей зоне установки не превышают 0.22 мкм ( 0.1мкм в центре пластины). Интегральный уровень виброперемещения в полосе 8-200 Гц находится в диапазоне 0.3-0.6 мкм для различных точек пластины; — для обеспечения измерений в диапазоне частот 0-5 Гц рекомендуется использовать лазерный виброметр. Рекомендуется оценить также его возможности для измерений при рабочих температурах. Достижимые измеримые уровни при использовании стандартных лазерных виброметров составят не хуже 100 нм вплоть до нулевых частот; — для разработки рекомендаций по уменьшению уровня вибрации конструкции в рабочей зоне установки, следует провести более детальное измерение виброакустических характеристик стенда (коэффициентов передачи от источника к рабочей области) и разработать меры по виброизоляции установки в целом. При следующих измерениях использовать измерительный тракт с более низким уровнем шума. — разумеется, для окончательной верификации полученных данных, полезно провести тест при охлаждении, для этого необходимо обеспечить тепловую и вакуумную развязку измерительной аппаратуры, поскольку отдельные параметры, в частности, теплоёмкость, теплопроводность, скорость распространения звука в среде могут меняться в зависимости от температуры.
Проблема повышения ёмкости телекоммуникационных ТГц-каналов за счёт повышения чувствительности приёмника до значений, близких к фундаментальному квантовому пределу, рассмотренному в главе 2, неизбежно требует глубокого криогенного охлаждения. В главе рассмотрены основные трудности, связанные с криогенным охлаждением высокочувствительных телекоммуникационных приёмников, влияющих на чувствительность приёмных элементов, среди них виброакустические (в т.ч. микрофонные) эффекты, температурная нестабильность. В результате созданы и отработаны методики, аппаратно-программные стенды, созданы алгоритмы для изучения влияния на чувствительность приёмных элементов негативных эффектов, связанных с использованием криогенных механических кулеров. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Исследованы и получены объективные данные по температурным осцилляциям механических криогенных кулеров, созданы и предложены методы по уменьшению осцилляций, что влияет на чувствительность приёмных элементов. Температурные осцилляции криорефрежиратора в базовой комплектации представляют собой — осцилляции с амплитудой 0,054К и частотой 1.4Гц (частота работы механических частей охладителя). Использование метода инерционной термостабилизации позволило, как теоретически предполагалось и подтверждено экспериментально, сгладить осцилляции на 0,06К при усреднении и в 20 раз на частоте работы охладителя ниже уровня осцилляционной чувствительности (13 мК) сверхпроводящего интегрального приёмника. Судя по представленным данным, влияние работы охладителя на осцилляции температуры с использованием пассивной системы термостабилизации на основе медной демпфирующей вставки, снизилось в 2 раза относительно первоначальной комплектации со стандартной медной площадкой. После помещения между медной демпфирующей вставкой и медной площадкой майларовой плёнки(10 мкм), влияние работы охладителя на осцилляции температуры снизилось дополнительно в 10 раз относительно осцилляций первоначальной комплектации со стандартной медной площадкой. Из описанного выше, можно сделать вывод об эффективности принятых решений в части пассивной стабилизации температурных осцилляций. Исследованы акустические нагрузки, сформулированы исследователям и разработчикам рекомендации по борьбе и местам оптимальной установки элементов для исследования в криогенном комплексе. Сформулировано и реализовано пожелание о переводе исследовательского участка в цокольный этаж корпуса №6 НГТУ им. Р.Е. Алексеева с отдельным фундаментом.
Создание аппаратно-программных средств для исследования характеристик приёмных элементов ТГц-диапазона
Описанные выше программные продукты использовались во множестве исследований, в том числе, при измерении параметров однофотонных источников излучения инфракрасного диапазона [15], поскольку продвижение в ТГц-диапазон происходит не только со стороны микроволнового диапазона при использовании соответствующих методов, но и инфракрасного диапазона и присущих ему методов.
Созданные программные продукты применялись при исследовании электрических характеристик болометров на холодных электронах. Рисунок 4.9 иллюстрирует зависимость отклика цепочки из 12 болометров на нагрев, полученную при помощи данных программных продуктов на нагревы (Данные получены сотрудниками лаборатории: Гордеева А.В, Мухин А.С. Абашин А.Е., Леснов И.В., Шишов А., Ревин Л.С.). Данные, полученные при помощи описанных разработок, хорошо согласуются с данными, получаемыми от программного обеспечения (система IRTECON [98]), ставшего де-факто стандартом в данной области. Однако решения, применённые в разработанном программном обеспечении, позволили осуществлять более гибкую программу исследований, связанную со спецификой измерений в данной работе.
В процессе исследования образцов БХЭ сотрудниками лаборатории разработан протокол измерений электрических характеристик, разработан протокол с рекомендациями для технологического участка на основе протокола измерений (при участии И. Чараева МПГУ) и осмотра поверхности образцов БХЭ в оптический и электронный микроскопы. На основе протоколов были внесены изменения в технологический процесс, что позволило добиться отношений сопротивлений для БХЭ 1000 на вновь создаваемой технологической площадке.
В ходе работы лаборатории, совместно с коллегами из Чалмерского университета и МПГУ, было произведено несколько итераций производства образцов наноболометров, на каждом этапе которого проводились тщательные исследования поступающих структур,
устранялись выявленные недостатки и производились соответствующие замечаниям корректировки технологического процесса. В результате, уже на третьей итерации процесса, были получены приемлемые результаты, позволяющие давать оптимистичные оценки перспективам производства наноболометров на площадке ЛКН НГТУ и МПГ У.
Подробнее процессы входного контроля и этапы корректировки технологического процесса изложены в приложении А. Образец наноболометра представляет собой чип, размерами 7х7 мм с позолоченными контактными площадками. Для его надёжного крепления и отвода тепла были изготовлены медные держатели образцов Sample holder (рисунок 4.10) и конструкция с прижимными контактами (рисунок 4.11), обеспечивающая одновременно надёжные электрические контакты и оберегающие площадки от чрезмерного давления. Общий вид представлен на рисунке 4.12. Исследования характеристик болометров на холодных электронах проводились с использованием аппаратного комплекса [99] и программного обеспечения, созданного сотрудниками лаборатории [96].
Вольтамперная характеристика образца N34 (вторая итерация производства) при температуре приблизительно 10 мК. Данная кривая, приведена на рисунке 4.13, показывает достаточно крутую нелинейность, близкую к требованиям технического задания.
На рисунке 4.14 представлена зависимость, характеризующая дифференциальное сопротивление болометрической структуры при разных значениях питающего тока. Кривая носит приближённый характер вследствие того, что операция дифференцирования весьма чувствительна даже к небольшим шумовым отклонениям значений тока или напряжения (это и явлется причиной шумовых осцилляций на графике). Для исключения возможных критических выбросов, способных исказить реальное положение дел, дифференцирование проводилось, в том числе, с разными, достаточно малыми приращениями dU и dI, а также при фиксированном приращении с различными «стартовыми данными», т.е. например, первая кривая получается путем операции: R1 = (U10-U1)/(I10-I1) , (4.1) R2 = (U11-U2) / (I11-I1) , (4.2) , где Un и In – соответствующие значения из измеренных зависимостей U(I).
Ясно, что при достаточно малом шаге при проведении измерений значения R1 и R2 будут практически одинаковы. Такая методика позволяет исключить ошибочные выводы по значению дифференциального сопротивления, что особенно критично на участках с наибольшей крутизной. Однако, несмотря на обозначенные выше трудности по определению дифференциального сопротивления, реальные кривые, рассчитанные по данной методике, показали хорошую корреляцию друг с другом. Один из важнейших параметров, характеризующих разрабатываемую болометрическую структуру – это отношение дифференциальных сопротивлений на резистивном (при таких токах, когда вольтамперная зависимость приобретает чисто резистивный характер) и нелинейном участках. После корректировки этапов технологического процесса удалось получить отношение сопротивлений порядка 400(рисунок 4.14), что является несомненным прогрессом и результатом плотного взаимодействия экспериментальной и технологической команд.
Примеры данных, полученных при исследований образцов БХЭ с использованием описанного программного-аппаратного комплекса, приведены в приложении Б.
В процессе исследования характеристик БХЭ командой ЛКН был разработан специализированный протокол измерений, разработанный коллективом ЛКН. Данный протокол создаётся на каждый чип (приложение А). Так же представлен входной контроль полученных образцов на оптическом микроскопе с указанием дефектов. Образцы, прошедшие входной контроль и исследование характеристик в криостатируемой установке исследуются на электронно-лучевом микроскопе (возможность воспользоваться ЭЛМ микроскопом любезно предоставлена нашими коллегами из ИФМ РАН), после чего подвергаются детальному анализу и составляется расширенный отчёт совместно с технологической командой, и вырабатываются указания для технологов по совершенствованию технологии изготовления БХЭ. Анализ и выработка решений по совершенствованию технологии изготовления БХЭ, представленные в приложении А, проводились совместно с И. Чараевым(МПГУ).