Введение к работе
Актуальность темы
К числу важнейших современных исследований в области радиоастрономии относятся наблюдение и измерение космического электромагнитного излучения субмиллиметрового диапазона длин волн (X = 3 - 0,1 мм). Установлено, что около 80% информации, доставляемой электромагнитным излучением к Земле из космоса, приходится на указанные длины волн. Ожидается, что полученная от этого излучения информация даст возможность расширить наши представления о Вселенной и происходящих в ней процессах.
Первейшими задачами наблюдений и измерений являются:
-
астрономическое исследование «холодной» компоненты вещества Вселенной,
-
проведение общего обзора источников в субмиллиметровом диапазоне длин волн для составления карт яркости, (3) измерение спектров излучения астрономических источников и их вариаций, (4) обзор атмосфер планет и их спутников.
До настоящего времени такие исследования выполнялись в очень ограниченном объеме, поскольку атмосфера Земли практически непрозрачна для подобных волн и, кроме того, она сама излучает шум на тех же частотах, что еще более ограничивает возможности приема космического субмиллиметрового излучения. С целью преодоления названных обстоятельств в ряде стран: в США, Европе, Японии и России (проект «Субмиллиметрон») — планируются космические миссии с установкой телескопов для приема субмиллиметровых волн с приемной аппаратурой на космических аппаратах с целью выноса их за пределы атмосферы. Анализ показывает, что для выполнения названной программы наблюдений и измерений требуются приемники (датчики) прямого детектирования (прямые детекторы) с предельной чувствительностью (noise equivalent power - NEP) P„v = 10"" - 10'18 Вт/Гц"2 и лучше. Основными путями достижения названной предельной чувствительности являются: (а) выбор болометров, работающих на разогреве электронов излучением, в качестве прямых детекторов; (б) снижение их рабочей температуры до сверхнизких температур Т * 0,4 - 0,1 К, что требует применения сверхнизкотемпературных рефриже-
раторов, обеспечивающих указанные температуры; (в) уменьшение рабочего объема поглотителя1 - элемента болометра, принимающего излучение, за счет длины / и ширины w до субмикронного размера (/ х w ~ 0,5 х 0,1 МКМ ), т. к. Рпр ооVTxw. Наиболее перспективными являются болометры на разогреве электронов излучением, где поглотителем является датчик на краю сверхпроводникового перехода (ДКП - TES - transition edge sensor), при наличии андреевского отражения электронов2 на границе поглотителя и электродов, выполненных из сверхпроводника с высокой критической температурой. Андреевское отражение обеспечивает сохранение энергии, полученной электронами от излучения, в поглотителе и увеличивает тем самым эффективность разогрева электронов. Для изготовления указанных болометров в качестве поглотителя должны быть применены структуры, у которых температура края сверхпроводникового перехода находится в указанном выше интервале сверхнизких температур и соответствует рабочей температуре применяемого рефрижератора. Удовлетворить этому требованию можно путем применения двухслойных структур «сверхпроводник-нормальный металл», в которых действует эффект близости. За счет этого эффекта, подбирая толщины слоев каждого из материалов, можно обеспечить требуемую температуру края сверхпроводникового перехода.
Цель и задачи исследования
Целью данной диссертации является разработка лабораторной методики получения и тестирования тонкопленочных структур «сверхпроводник-нормальный металл» с эффектом близости и сверхпроводниковым фазовым переходом для создания на их основе сверхчувствительных ДКП болометров на разогреве электронов с андреевским отражением. Для этого необходимо решить следующие задачи:
- выбор материалов и толщин слоев двухслойной структуры, при применении
'А.Н.Выставкин, В.В. Мигулин, Приемники миллиметровых и субмиллиметровых волн, радиотехника и электроника, 1967, т. 12, № 11, ее. 1989-1998.
2А.Ф.Андреев, Теплоемкость промежуточного состояния сверхпроводников, ЖЭТФ, 1964, т.46. вып.5. ее. 1823-1828
которых возможно получить упомянутые свойства структуры, т. е. получить достаточно резкий сверхпроводниковый фазовый переход при заданной температуре края перехода в диапазоне Т « 0,4 - 0,1 К;
разработка лабораторной методики получения названных структур;
разработка сравнительно простой методики тестирования этих структур;
оценка ожидаемой чувствительности болометров на основе таких структур. Научная новизна работы
Впервые получены тонкопленочные структуры «молибден-медь», работающие на основе эффекта близости.
Впервые выполнены измерения температурной зависимости сопротивления полученных структур при сверхнизких температурах (1-0,6К).
- На основе уравнения баланса энергии электронов в исследованных структурах и вычисленных вольтамперных характеристик получено уточненное выражение для токового отклика на падающее излучение ДКП болометров.
Практическая ценность работы
1. Разработана лабораторная методика получения тонкопленочных двухслойных
металлических структур «молибден-медь» с заданной критической температурой
(0,4-0,1 К). Эти структуры могут быть использованы в качестве чувствительного
элемента болометра.
2. На основе уравнения баланса энергии электронов и измеренных
температурных зависимостей сопротивления этих структур оценены ожидаемые
предельные чувствительности болометров, в которых полученные структуры
являются одновременно поглотителем излучения и датчиком
продетектированного сигнала:
разработана методика получения вольтамперных и вольтваттных характеристик болометра;
получено выражение для токового отклика на падающее излучение;
разработана методика оценки амперваттной чувствительности.
3. Эти методики позволяют производить оперативный отбор болометров перед их
установкой в радиометр, что упрощает тестирование приборов.
Личный вклад диссертанта в данную работу
-
Разработана лабораторная методика получения тонкопленочных двухслойных металлических структур «молибден-медь». Изготовлена большая партия таких структур для исследования.
-
Выполнены исследования вышеуказанных пленок на микроскопе атомных сил и растровом электронном микроскопе.
-
Совместно с соавторами (А.Н. Выставкин, В.В. Дмитриев, В.В. Завьялов, С.А. Ковтонюк) разработана методика и проведены измерения температурных зависимостей сопротивления изготовленных двухслойных структур при сверхнизких температурах ~ 0,05 - 1,0 К.
4. Совместно с соавторами (А.Н.Выставкин, С.А. Ковтонюк) разработана
методика и выполнен расчет вольтамперных и вольтваттных характеристик
возможных ДКП болометров на основе изготовленных и исследованных в
данной работе структур, токового отклика таких болометров, а также дана
оценка их предельной чувствительности.
Положения, выносимые на защиту
1. Экспериментально показано, что возможно получение на основе эффекта
близости тонкопленочных двухслойных структур «сверхпроводник-нормальный
металл» со сверхпроводниковым фазовым переходом при заданной критической
температуре.
2. Экспериментально исследовано влияние толщин слоев сверхпроводника и
нормального металла для выбранных материалов (молибден—медь) на значение
критической температуры двухслойной структуры, определена необходимая
точность толщин слоев.
-
При использовании предложенной в работе технологии изготовления, получены качественные и надежные структуры Мо/Cu с Т„~0,1-0,4К, что соответствует рабочим температурам рефрижераторов.
-
Предложена методика получения вольтамперных и вольтваттных характеристик на основании измеренных зависимостей R(T) и уравнения баланса
энергии электронов в таких структурах при включении их в цепь с
фиксированным электрическим смещением.
5. Получено выражение для токового отклика на излучение для возможных ДКП
болометров. На основе этого выражения сделаны оценки значения предельной
чувствительности болометров: для 0,4К Рпр~10"18Вт/Гц|/2,
дляО,27К Рпр~ 10'19 Вт/Гц"2, для 0.08К Рпр~10"20Вт/Гц1/2.
Апробация работы
Результаты представленных в диссертации исследований докладывались на следующих научных конференциях:
10-й и 14-й Междунар. симпозиумы по космическим терагерцовым технологиям: 1999 г. (THZ-10), Шарлотсвиль, США и 2003 г. (THZ-14), Таксон, США
10-я Международная конференция по низкотемпературным детекторам, 2003 г. (LTD-10), Генуя, Италия.
5-й Международный Харьковский симпозиум по физике и технике сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых волн, 2004 г. (MSMW04), Харьков, Украина.
Публикации
Основное содержание диссертационной работы отражено в семи статьях в научных журналах и трудах научных конференций, список которых приводится в конце реферата.
Объем и структура диссертации
