Введение к работе
Актуальность темы:
В настоящее время на Большом телескопе азимутальном Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук (ЕТА САО РАН) с диаметром главного зеркала 6м для выполнения спектроскопических и спектрополяриметрических наблюдений с высоким и умеренным спектральным разрешением используются эшелле спектрографы, работающие в режиме скрещенной дисперсии. Такая оптическая схема позволяет получить высокое спектральное разрешение, однако, из-за большого количества диспергирующих элементов уменьшается светосила прибора. Даже в лучших современных спектрографах теряется порядка 90% света. Для оценки эффективности того или иного спектрального прибора, а также для сравнения спектральных приборов друг с другом, существует величина, называемая потенциальным качеством и представляющая собой произведение спектрального разрешения спектрографа, светосилы системы спектрограф + приемник излучения, количества одновременно регистрируемых элементов спектра и временного разрешения приемника излучения.
В то же время, светоприемники на основе сверхпроводниковых туннельных переходов (СТП) обладают возможностью детектирования единичного фотона с определением его энергии, являясь, по сути, спектрографами. Однако, собственного спектрального разрешения СТП QJ6X и 10 в оптическом диапазоне) для серьезных спектроскопических исследований недостаточно. По этой причине в мире до сих пор детекторы на основе СТП использовались исключительно в фотометрических приложениях. В работе рассматривается возможность комбинирования СТП с различными оптическими схемами, с целью повышения потенциального качества прибора в целом. Оценивается выигрыш в эффективности наблюдений на спектрографах в сочетании с линейкой СТП-приемников относительно вариантов наблюдений с матрицей ПЗС. Предложенная методика позволит применять СТП в спектроскопии высокого разрешения.
Повышенный интерес к детекторам на основе СТП связан с рекордно высокой чувствительностью таких структур, обусловленной природой сверхпроводимости. Так, минимальное значение энергии, необходимое для разрыва куперовской пары в сверхпроводнике и создания свободных носителей заряда, крайне мало (единицы мэВ), - на 3 порядка меньше величины энергии, которую несет единичный фотон видимой области спектра. Энергия же выхода полупроводника составляет электронвольты и сравнима с энергией фотона. Это фундаментальное отличие позволяет рассматривать сверхпроводники чрезвычайно перспективными для использования в качестве детекторов фотонов от рентгеновского до оптического и ближнего инфракрасного диапазонов, поскольку дает возможность не только обнаружить отдельные фотоны с определением их энергии, но и позволяет создать детектор с рекордным быстродействием (порядка 104 событий/пиксельхеек).
СТП находят применение в самых различных областях - от детектирования элементарных частиц в ядерной физике до детектирования излучений в рентгеновском, ультрафиолетовом, оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах электромагнитного излучения.
Такие детекторы имеют огромные потенциальные возможности в развитии инструментальной астрономии, которые обусловлены:
широким диапазоном спектральной чувствительности (330-800 им)
высокой квантовой эффективностью - 70% при 500 им
высокой чувствительностью
высоким временным разрешением - 10 кГц/пике
энергетическим разрешением ХУДХ - 8-13 при 500 им
Наибольших успехов, на сегодняшний день, достигла научно-исследовательская группа из Голландии (Rando, Peacock), которая впервые успешно апробировала детектор на основе СТП на телескопе William Hershel в 1999г. В России разработкой и изготовлением СТП занимаются в
Институте радиотехники и электроники РАН, в лаборатории сверхпроводниковых устройств для приема и обработки информации, впервые такие структуры использовались для регистрации рентгеновского излучения в Научно-исследовательском институте ядерной физики им. Скобелицина (МГУ).
Дедь работы:
Целью данной работы является разработка и изготовление прототипов камерной головки твердотельного спектрального приемника на основе светочувствительных сверхпроводниковых туннельных переходов (СТП), для оснащения Большого телескопа азимутального Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук (БТА САО РАН). Разработка технологии, изготовление опытных образцов детекторов, оснащение криогенными устройствами, электроникой и программным обеспечением производится на основе кооперации двух организаций - Специальной астрофизической обсерватории (САО) РАН и Института кибернетики (ИК) им. Глушкова НАН Украины.
Для достижения поставленной цели решались слсдуюшше задачи:
Обобщение и систематизация имеющихся н используемых в настоящее время детекторов
излучения в астрономии.
Разработка прототипов камерных головок детекторов на основе СТП под условия
имеющейся спектральной аппаратуры БТА САО РАН
Оптимизация технологического процесса с целью получения качественных структур,
удовлетворяющих высоким требованиям, предъявляемым к детекторам излучения.
Исследования полученных структур методами жидкостного анодирования и атомно-
силовой микроскопии.
Разработка модели, учитывающей влияние подслоя алюминия на электрофизические
параметры туннельной структуры - «эффект близости».
Разработка методики калибровки СТП посредством магнитокардиографического
комплекса "SQUID".
Разработка и изготовление стенда для исследования вольтамперных характеристик
тестовых структур при гелиевых температурах (4,2 К).
Научим новизна:
Предложен способ использования СТП в спектроскопии высокого разрешения. Разработаны основы технологии формирования СТП, базирующиеся на процессе с двустадийным анодированием (ТАР) Впервые получены светочувствительные элементы, изготовленные по ТАР - технологии с применением метода контролируемого окисления. Разработана модель СТП, учитывающая влияние подслоя алюминия на электрофизические параметры туннельной структуры - «эффект близости» Предложен метод калибровки СТП посредством магнитокардиографического комплекса «SQUID», позволяющий получить фотоотклик при температуре 4,2 К.
Практическая значимость;
Получены пленки ниобия с критической температурой перехода в сверхпроводящее
состояние (Тс) близкой к Тс массивного ниобия, что свидетельствует о высоком качестве
пленок.
Отработана методика формирования сплошного однородного алюминиевого слоя толщиной
8 им, обеспечивающего получение высококачественного окисного слоя. Показано, что
наилучшие результаты получены при использовании комбинированного окисления.
Разработаны и изготовлены четыре типа тонкопленочных '- микросхем дія спектрографических и фотометрических исследований космического излучения.
Разработан и изготовлен стенд для измерения параметров СТП в жидком гелии, включающий криостат, зондовую технику, необходимую электронику, программное обеспечение.
Определены характеристики переходов при гелиевых температурах.
Основные положення выносимые иа защиту:
Метод использования СТП в спектроскопии высокого разрешения, адаптированный под условия реальной спектральной аппаратуры, функционирующей на телескопе БТА;
Способ получения высококачественных пленок и барьерного окисного слоя для дальнейшего формирования СТП и тестовых структур.
Метод калибровки СТП посредством магнитокардиографического комплекса "SQUID";
Апробация диссертационной работы:
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских (Физ.-мат. науки в СГУ 2005, 2006) и Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Таганрог - Дивноморское 2002,2004, 2006), WOLTE - 6, 7, (Нидерланды 2004, 2006), научных семинарах САО РАН и кафедры технологии мнкро- и наноэлектронной аппаратуры (ТМиНА) ТРТУ.
Работа поддержана Федеральным агентством по науке и инновациям в соответствии с государственным контрактом № 02.444.11.7071 от5 сентября 2005 г.
Публикации:
По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.
Структура в объем диссертации:
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 117 наименований, приложения. Общий объем диссертации 158 страниц, включая 49 рисунков, 9 таблиц, 17 стр. приложений.
