Генерация и прием ТГц излучения с использованием сверхпроводниковых интегральных устройств

Кинев, Николай Вадимович

Генерация и прием ТГц излучения с использованием сверхпроводниковых интегральных устройств тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Кинев, Николай Вадимович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Генерация и прием ТГц излучения с использованием сверхпроводниковых интегральных устройств»

Автореферат диссертации на тему "Генерация и прием ТГц излучения с использованием сверхпроводниковых интегральных устройств"

На правах рукописи

Кинев Николай Вадимович

Генерация и прием ТГц излучения с использованием сверхпроводниковых интегральных устройств

Специальность 01.04.03 - Радиофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2012

005050216

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, г. Москва.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор

Кошелец Валерий Павлович

Официальные оппоненты: Корнев Виктор Константинович

доктор физико-математических наук, профессор кафедры атомной физики, физики плазмы и микроэлектроники физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Смирнов Константин Владимирович

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей и экспериментальной физики факультета физики и информационных технологий Московского педагогического государственного университета

Ведущая организация: Институт прикладной физики РАН,

г. Нижний Новгород

Защита состоится 8 февраля 2013г. в 11:30 на заседании диссертационного совета Д.002.231.02 при ИРЭ им. В. А. Котелышкова РАН по адресу: 125009, Москва, ГСП-9, ул. Моховая, д. 11, корп. 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН.

Автореферат разослан 26 декабря 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д.002.231.02 при ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН доктор физико-математических наук

Потапов Александр Алексеевич

Общая характеристика работы

Актуальность темы

В настоящее время большой научный и практический интерес имеют генераторы и приёмники терагерцового излучения. Такие устройства особенно востребованы в радиоастрономии и астрофизике. Причина этого состоит в том, что подавляющая часть электромагнитного излучения в космическом пространстве лежит в области 300 ГГц-30 ТГц (длина волны 0,01 - 1 мм). Межзвёздное вещество, космическая пыль, молекулярный газ в галактиках, включая наш Млечный Путь, а также реликтовое излучение - всё это имеет выраженный пик излучения в дальней ИК- и субмм области. Следует отметить, что для исследования космического излучения требуется высокая чувствительность приемных устройств. Так, например, межзвёздная пыль излучает как чёрное тело с температурой от 5 до 50 К, а облака из молекулярного газа имеют температуру от 10 до 200 К, их наиболее яркие линии излучения лежат в терагерцовом диапазоне.

Приемники ТГц диапазона находят применение также в миссиях по исследованию атмосферы Земли, поскольку в атмосфере содержится много веществ, в том числе ответственных за разрушение озонового слоя, молекулы которых имеют линии излучения (колебательно-вращательные переходы) в данной области. Так, в рамках международного проекта ТЕЫБ были совершены несколько научных запусков спектрометра для дистанционного исследования атмосферы с борта высотного аэростата в диапазоне 450 - 650 ГГц в режиме наклонного сканирования. Кроме того, в качестве направлений использования таких приборов следует отметить следующие области:

• медицина - неинвазивная диагностика ряда болезней методом спектрального анализа состава выдыхаемого воздуха;

• безопасность - выявление и определение взрывчатых, отравляющих и других опасных веществ, а также обнаружение предметов даже сквозь оптически непрозрачные оболочки;

• охрана окружающей среды - мониторинг и определение состава загрязнения среды обитания человека продуктами его жизнедеятельности на уровне предельно допустимых концентраций;

• химия и биология - исследование состава и поведения сложных химических соединений, в том числе и белков;

• физика конденсированного состояния и электроника - исследование состава и характеристик новых объектов и структур, в том числе наноматериалов и наноструктур.

Время накопления для приема сверхслабых сигналов и обнаружения сверхмалых концентраций веществ пропорциопалыю квадрату шумовой температуры используемого приемника. Детекторы и приемники ТГц излучения на основе туннельных джозефсоновских структур типа сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС) являются наиболее чувствительными из всех существующих в области до 1 ТГц [1]. Это объясняется чрезвычайно высокой нелинейностью сверхпроводников, а также криогенной рабочей температурой (4.2 К и ниже) и, следовательно, предельно низкими собственными шумами. Высокочувствительными

сверхпроводниковыми устройствами в области выше ~700 ГГц являются также болометры на основе разогрева электронного газа (НЕВ), которые могут использоваться как в качестве прямых, так и в качестве гетеродинных детекторов в ТГц диапазоне. Сверхпроводниковые гетеродинные приемники терагерцового излучения активно используются во многих наземных и космических радиоастрономических миссиях (АЬМА, НегеЬе1, др.), а также в проектах по исследованию атмосферы (ТЕ1Л8).

В терагерцовой области частот (выше 300 ГГц) наблюдается существенное поглощение сигнала парами воды в атмосфере. Поэтому все приемники и радиотелескопы располагаются на значительной высоте или устанавливаются на борту специальных аэростатов, самолетов и спутников. В полетных миссиях помимо чувствительности прибора огромное значение играют его габариты, вес и энергопотребление. Именно эти параметры обуславливают возможность и целесообразность использования того или иного прибора. Следует отметить, что для гетеродинного детектирования требуются малошумящие и легко перестраиваемые генераторы принимаемого диапазона. Большинство приемников ТГц диапазона имеют в качестве гетеродина внешний источник. В частности, генераторы на базе лампы обратной волны (ЛОВ), традиционно применявшиеся в качестве гетеродина в лабораториях и на радиотелескопах, обладают очень большой массой из-за необходимости использовать сильный постоянный магнит и высоковольтный источник питания. Часто в качестве гетеродина используют кваптово-каскадный (полупроводниковый) или газовый лазер (особенно крупногабаритный и тяжелый), а также фотонные генераторы, работающие на разностной частоте двух лазеров. Такие устройства являются весьма сложными в производстве и, как правило, дорогостоящими, поэтому отсутствие компактных, легко

перестраиваемых и недорогих источников гетеродина в 'ГГц области является серьезной проблемой. За последние несколько лет существенно развиты также полупроводниковые ТГц умножители на основе квантовых полупроводниковых сверхрешеток и диодов Шоттки, обладающие рядом преимуществ по сравнению с перечисленными. Такие умножители работают совместно с источниками до 100 ГГц (серийно выпускаемые синтезаторы либо диоды Ганна), давая сигнал на выходе до 2,7 ТГц.

Одним из наиболее перспективных генераторов ТГц диапазона, интегрируемых вместе с детектором на одну микросхему, является генератор на основе распределённого джозефсоновского перехода (РДП). Такой генератор является очень широкополосным (от 300 до 700 ГГц), а его интеграция на одной микросхеме с детектирующим элементом позволяет избежать использования классических генераторов с большим размером, весом и стоимостью. Идея совмещения на одной микросхеме генератора и СИС-смесителя была реализована учёными ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН в сверхпроводниковом интегральном приемнике (СИП) диапазона 450-700 ГТц. Успех полетных миссий СИП в 2009-2011 г. в рамках международного проекта ТЕЫЭ показал высокую перспективность данного прибора в целом ряде других научных задач, где необходима работа приемника как на более низких, так и более высоких частотах.

Одной из сложностей использования генераторов на основе РДП является наличие резонансного режима работы (ступени Фиске), при котором не всегда удаётся реализовать достаточно узкую линию генерации во всей рабочей области. Такой режим работы реализуется на частотах до 450 ГГц для переходов на основе структур ЫЬ/АЮ/МЪ, и частотах до 600 ГГц - для структур ЫЬ/АШ/ЫЬЫ, однако основные трудности в реализации непрерывной перестройки проявляются на частотах до 350 ГГц, где затухание в переходе мало и ступени Фиске практически вертикальны. Поэтому требуется разработка РДП-генераторов, оптимизированных для работы в резонансном режиме. Следует также отметить отсутствие в настоящий момент стройной теории, позволяющей численно рассчитать ширину линии излучения генератора. Существует классическое выражение для сосредоточенного перехода, которое не учитывает неоднородность распределения тока через переход, влияние флукггуаций в канале линии управления магнитным полем, а также внешние низкочастотные флуктуации тока, и потому плохо описывает реальную ширину линии генерации. Недавно была предложена эмпирическая модель для вычисления ширины линии излучения, которая учитывает обозначенные факторы и демонстрирует хорошее согласие с экспериментом, однако она не

описывает природы физических механизмов уширения линии по сравнению с классической моделью.

Для повышения рабочего частотного диапазона интегрального приемника перспективным является создание СИП с детектором на основе электронного разогрева (НЕВ). НЕВ-смеситель успешно работает до нескольких ТГц, в то время как рабочая полоса СИС-смесителя ограничена щелевым напряжением. Следует отметить, что предельная реализуемая частота такого приемника будет определяться свойствами РДП, и в настоящий момент ведутся работы по разработке РДП на основе электродов МЬТлЫ, что позволит повысить частоту генерации до частот порядка 1 ТГц и выше.

Другим перспективным типом генераторов, предложенным сравнительно недавно, являются мезоструктуры из ВТСП, представляющие собой большой массив (порядка 1000) последовательно соединённых джозефсоновских переходов. Работы в этом направлении являются пионерскими, такие генераторы активно исследуются в настоящий момент, но ещё не успели найти практического применения. Это обусловлено, в частности, тем, что до сих пор не был экспериментально измерен спектр излучения такого генератора. Поэтому, наиболее важным, в первую очередь, является исследование линии генерации такой структуры, что послужит фундаментом для построения теории и создания практических устройств в дальнейшем.

Цели работы

Целями настоящей диссертационной работы являются разработка и исследование перспективных типов генераторов терагерцового диапазона, разработка лабораторных средств и методик исследования сверхпроводникового интегрального приемника (СИП), а также исследование нового типа СИП со смесителем на эффекте разогрева электронного газа. Конкретные цели работы перечислены ниже:

• Разработка и апробация лабораторного терагерцового Фурье-спектрометра для исследования частотной зависимости чувствительности детектора в составе СИП в режиме прямого детектирования.

• Разработка ТГц генератора на основе РДП с возможностью непрерывной перестройки частоты в частотном диапазоне до 400 ГГц, в котором реализован резонансный режим работы (малое затухание). Комплексное исследование режимов работы генераторов на основе РДП, выполненных на основе туннельных структур Т\ТЬ/АЮХ/МЬ, МЬ/АМ/ЫЪЫ с различными электрофизическими параметрами (топология, размеры, плотность критического тока через переход).

• Исследование ширины линии генерации РДП в различных режимах работы, апробация моделей расчета ширины линии.

• Исследование процессов тепловыделения в криогенной системе СИП и их влияние на функционирование приемника. Разработка методов понижения теплового влияния на работу устройства.

• Разработка и исследование сверхпроводникового тггегралыюго приемника с генератором гетеродина на основе РДП, где в качестве смесителя использован сверхпроводниковый болометр на основе электронного разогрева.

• Исследование свойств и спектральных характеристик ТГц генератора на основе слоистой ВТСП-мезоструктуры В^8г2СаСи208+5 при помощи СИП.

Научная новизна

1. Найдены условия реализации генератора гетеродина на основе РДП с возможностью непрерывной перестройки в диапазоне 250-400 ГГц, где генератор работает в резонансном режиме.

2. Проведено исследование зависимости дифференциального сопротивления РДП по току линии управления магнитным полем в резонансном режиме, а также в режиме флакс-флоу, в зависимости от напряжения (при постоянном токе) и от тока (при постоянно напряжении). Определены эмпирические параметры, характеризующие влияние дифференциального сопротивления по току линии управления магнитным полем на ширину линии излучения, для ее точного численного расчёта.

3. Показана принципиальная возможность интеграции генератора гетеродина на основе РДП на одной микросхеме со смесителем на основе болометра на электронном разогреве; мощность РДП может регулироваться в широких пределах, обеспечивая эффективно накачку смесителя.

4. Впервые измерен спектр излучения джозефсоновского генератора на основе ВТСП мезоструктуры В^ГгСаСигОз+а, установлено принципиальное различие спектральных характеристик генератора в различных областях работы (при низких токах на участке с положительным дифференциальным сопротивлением и высоких токах на участке с отрицательным дифференциальным сопротивлением). Показано, что линия излучения в режиме образования «горячего пятна» с высокой степенью точности имеет лорепцеву форму. Выявлена необычная зависимость спектральных характеристик от положения рабочей точки на ВАХ, которая не описывается ни одной из существующих на данный момент моделей и теорий.

Практическая ценность работы

1. Созданный лабораторный Фурье-спектрометр позволяет проводить исследования частотной зависимости чувствительности любых ТГц детекторов в области частот от ~0,1 до 30 ТГц и частотным разрешением лучше 1,5 ГГц.

2. Возможность непрерывной перестройки частоты генератора на основе РДГТ в резонансной области 250 - 400 ГГц (ступени Фиске) расширяет реализуемый частотный диапазон сверхпроводникового интегрального приемника, который в настоящее успешно функционирует в области 450 - 650 ГГц. Это открывает возможность его использования в ряде новых проектов для радиоастрономии и систем безопасности.

3. Новая методика установления контактов между элементами СИП и платой смещения позволяет уменьшить в 3-4 раза контактное сопротивление и, таким образом, заметно понижает тепловыделение в системе, устраняя ряд сложностей, возникающих при Перегреве системы.

4. Успешная демонстрация работы СИП на основе НЕВ-смесителя открывает возможности существенного повышения рабочей частоты интегрального приемника, поскольку чувствительность НЕВ практически не зависит от частоты вплоть до нескольких ТГц. Реализованный уровень накачки НЕВ-смесителя мощностью от РДП достаточен для работы устройства в качестве ТГц приемника. Частотное ограничение такого приемника накладывается возможностями гетеродина, рабочий диапазон которого в настоящий момент составляет до 730 ГГц.

5. Продемонстрирована возможность работы компактных широкополосных ТГц генераторов на основе ВТСП-мезоструктур с уровнем мощности более 1 мкВт, рабочим диапазоном 450-750 ГГц и непрерывной перестройкой частоты во всей полосе. Показана принципиальная возможность фазовой синхронизации таких генераторов, что крайне важно для ряда практических задач.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Для реализация непрерывной перестройки частоты РДП с характерным значением Л^У порядка 40-50 Ом-мкм2 в резонансном режиме для структур МЬ/А10Х/МЬ требуется длина генератора более 600 мкм, а для структур ЫЬ/АЦчГ/МЪЫ - более 400 мкм. Максимальная длина, при которой возможна реализация резонансного режима, составляет порядка 750 мкм для структур ЫЬ/А10Я/\!Ь и порядка 870 мкм дам структур ЫЬ-АШ-ЫЪЫ.

2. Более 90% вклада в тепловыделение в системе сверхпроводникового интегрального приемника (а следовательно и ряде других похожих устройств) вносит контактное сопротивление между площадкой микросхемы и проволокой для обеспечения электрического контакта с системой управления. При применении модернизированной методики установления контактов вклад в тепловыделение контактного сопротивления уменьшается в 4 раза.

3. Болометр на эффекте электронного разогрева (HEB) может быть интегрирован с гетеродином на основе РДП на одной микросхеме. При этом возможна эффективная накачка НЕВ-смесителя в частотном диапазоне 450 - 620 ГГц мощностью от РДП, достаточной для работы устройства в качества ТГц приемника. Чувствительность такого прибора в данном диапазоне (шумовая температура порядка 1000 К) соответствует характеристикам существующих ТГц приемников на основе НЕВ-смесителя с внешним гетеродином.

4. Ширина линии излучения генератора на основе ВТСП-мезоструктуры Bi2Sr2CaCu20g+5 составляет от 5 до более 500 ¿МГц в различных режимах работы; диапазон генерации составляет 450-736 ГГц. Форма линии излучения с высокой степенью точности является лоренцевой. Линия излучения такого генератора может быть частотно стабилизирована и фазово синхронизирована. Генератор может быть применен для измерения линий поглощения газов.

Личный вклад автора

Работы были выполнены диссертантом в соавторстве с сотрудниками лаборатории сверхпроводниковых устройств для приема и обработки информации ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН и Московского государственного педагогического университета (МПГУ, г. Москва), а также Нанкинского университета (г. Нанкин, Китай). Для проведения работ частично были использованы устройства и материалы, любезно изготовленные и предоставленные коллегами из Нанкинского Университета (на технологической базе Национального института материаловедения, г. Цукуба, Япония), а также коллегами из МПГУ.

Автор принимал участие в разработке экспериментальных образцов генераторов на основе распределенных джозефсоновских структур, провел комплексное многостороннее экспериментальное исследование и дальнейший анализ таких генераторов различных модификаций (тип структуры, геометрия,

плотность критического тока), изготовленных в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН.

Разработка и настройка лабораторного Фурье-спектрометра была проведена автором совместно с М. Ю. Торгашиным (ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН). При исследовании тепловыделения в системе сверхпроводникового интегрального приемника были использованы технологические навыки по осуществлению ультразвуковой сварки инженера Института космических исследований Нидерландов Leo de Jong, г. Гронинген. Цикл экспериментов по исследованию спектральных характеристик генератора на основе ВТСП-мезоструктуры проведен диссертантом совместно с научным руководителем В.П. Кошельцом и коллегой из Китая проф. Huabing Wang, г. Нанкин.

Комплексное исследование характеристик интегрального приемника на эффекте электронного разогрева проведены автором совместно с Р. В. Ожеговым (МПГУ).

Апробация работы

Результаты исследований, проведенных соискателем, представлены в 23 докладах на научных международных и российских конференциях, в том числе:

- 11th International Superconductive Electronics Conference (ISEC-2007), Washington D.C., USA, June 2007;

- 17th International Symposium on Space Terahertz Technology (ISSTT-2007), Pasadena, CA, USA, March 2007;

- 19th International Symposium on Space Terahertz Technology (ISSTT-2008), Groningen, the Netherlands, April 2008;

- Applied Superconductivity Conference (ASC-2008), Chicago, USA, August 2008;

- Всероссийский семинар по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн, Нижний Новгород, март 2009;

- International Conference on Superconductive Electronics "EuroFtux-2009: from devices to circuits and systems", Avignon, France, September 20-23, 2009;

- 10th Workshop on Submm-Wave Receiver Technologies in Eastern Asia, Wu-Xi, China, November 15-18,2009;

- 21st International Symposium on Space Terahertz Technology (ISSTT-2010), Oxford, Great Britain, 23-25 March 2010;

- 35th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2010), Rome, 2010.

- Евразийский конгресс по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика -2010»

- 36th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2011), Houston, Texas, USA, October 2-7 2011;

- 2-ая Международная научная конференция «Прикладная сверхпроводимость -2011», Москва, 4 марта 2011;

- Всероссийский семинар по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн, Нижний Новгород, март 2011;

- 1st International Conference on Quantum Technologies (ICQT), Moscow, July 2011;

- Superconductivity Centennial Conference "EUCAS-ISEC-1CMC 2011", Den Haag, the Netherlands, September 2011;

- 1ая Национальная конференция по прикладной сверхпроводимости (НКПС-1), 6-8 декабря 2011;

- XV международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, 2011

- 37th IRMMW-THz, Wollongong, Australia, September 23-28, 2012. Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 26 работах, из них — 11 статей в журналах, входящих в Перечень изданий, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, а также в 15 докладах на научных международных и российских конференциях с публикацией расширенных тезисов. Общий объём опубликованных по теме диссертации работ составил 47 мп. страниц.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка публикаций но теме диссертации и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 139 страницах, содержит 50 рисунков, 6 таблиц и список цитируемой литературы из 76 источников.

Содержание работы

В первой главе (введении) обоснована актуальность темы диссертации и определены её цели. Сформулированы научная новизна и практическая ценность работы. Дан краткий обзор областей применения генераторов и чувствительных приемников терагерцового (ТГц) диапазона на основе сверхпроводниковых структур. К таким приемникам относятся, в частности, устройства на квазичастичной нелинейности джозефсоновских туннельных структур типа СИС (сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник), устройства на

эффекте разогрева электронного газа в тонкой пленке из сверхпроводника (HEB), а также ряд сверхпроводниковых устройств на основе других эффектов.

Для успешного функционирования высокочувствительных когерентных приемников ТГц диапазона (в отличие от прямых детекторов) необходимым является наличие достаточно мощных и надежных ТГц генераторов с высокой стабильностью частоты и достаточно малой шириной линии излучения для возможности фазовой стабилизации сигнала. Дан обзор существующих в мире на данный момент генераторов ТГц диапазона, успешно применяющихся в тех или иных областях, описаны их преимущества и недостатки. Дано краткое описание одного из ключевых элементов исследования данной работы - генератора на основе распределенного джозефсоновского перехода (РДП), интегрируемого вместе с приемным элементом на одну микросхему. Рассмотрен другой перспективный тип сверхпроводникового ТГц генератора на основе мезоструктуры из высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП), кристалл которого естественным образом представляет собой систему из множества последовательных джозефсоновских переходов.

Описана концепция сверхпроводникового интегрального приемника (СИП) диапазона 450-650 ГТц, объединяющего на одной микросхеме приемную антенну, СИС-смеситель, РДП и гармонический смеситель, используемый для фазовой синхронизации РДП. Кратко представлены успехи научной миссии TELIS (Teraherth Limb Sounder) по исследованию спектрального состава атмосферы при помощи СИП. Обоснована потребность расширения рабочего диапазона СИП как в область более низких (200-450 ГТц), так в область более высоких (>700 ГТц) частот. Для успешной работы СИП в области более низких частот необходима разработка гетеродина на основе РДП с возможностью непрерывной перестройки частоты в резонансном режиме работы. Для расширения рабочего диапазона в сторону высоких частот перспективно использование в качестве смесителя не СИС-перехода, частота которого ограничена щелевым напряжением, а НЕВ-смесителя, успешно работающего до нескольких ТГц. Обозначена возможность создания и апробации СИП на основе НЕВ-смесителя. Обсуждается возможность применения СИП для исследования спектральных характеристик внешних ТГц генераторов, таких как генератор на основе ВТСП-мезоструктур.

В конце главы сформулированы основные задачи диссертационной работы.

Во второй главе описаны основные экспериментальные методики, использованные в рамках диссертационной работы. В частности, описан метод измерения ширины линии излучения генераторов на основе РДП, метод

измерения дифференциальных сопротивления РДП по току смещения и току линии управления магнитным полем с использованием СВЧ-измерений спектральных характеристик генератора, метод измерения частотной зависимости прямого отклика ТГц детектора, метод измерения шумовой температуры сверхпроводникового интегрального приемника.

Для измерения ширины линии излучения генератора на основе РДП в заданном частотном диапазоне используется интегральная схема, включающая в себя исследуемый генератор, СИС-смеситель и согласующий СВЧ-тракт между генератором и смесителем, рассчитанный на заданный частотный диапазон. СИС-смеситель используется для понижения частоты РДП (совместно с опорным синтезатором) до диапазона промежуточной частоты (ПЧ) 0-800 МГц, спектр которой анализируется при помощи комнатного спектроанализатора. Попутно с измерением спектра и ширнны линии генерации производится измерение дифференциальных сопротивлений РДП.

Частотная зависимость прямого отклика ТГц детекторов исследуется при помощи специально разработанного и настроенного Фурье-спектрометра на основе интерферометра Майкельсона. Описаны процессы разработки и настройки такого Фурье-спектрометра, а также его характеристики. Шумовая температура приемника исследуется при помощи стандартной лабораторной методики измерения величины У^аМог, которая определяется как отношение уровня мощности сигнала ПЧ на выходе детектора, измеренного в режиме переключения «теплой» (Т = 295 К) и «холодной» (Г =80 К) нагрузок.

В третьей главе изложены результаты комплексного исследования работы генератора на основе РДП. Описаны физические принципы излучения такого генератора, его основные параметры и характеристики, изучены режимы работы.

Генератор ТГц излучения на основе РДП имеет два различных режима работы. При напряжениях, меньших «граничного» реализован

резонансный режим работы генератора (ступени Фиске), в то время как при V > У^с имеет место режим вязкого течения вихрей (флакс-флоу) из-за роста затухания в переходе благодаря эффекту самонакачки [2] (см. рис. 1). Граничное напряжение для большинства исследованных образцов генератора равнялось У/З, похожие особенности наблюдались и при УУ5, где Уя - щелевое напряжение СИС-перехода. Резонансный режим в РДП на основе ЫЪ/АЮХ/ЫЬ реализуется на частотах ниже 450 ГГц, а для структур Ш/А1№№Ы - на частотах до 600 ГГц. Особое внимание в исследовании было уделено резонансному режиму работы, поскольку именно в нем возникают проблемы с реализацией непрерывной перестройки частоты.

0.0 0.1 0.2 0.3 04 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 Г2 1Л 1.4 13

Напряжение РДП, мВ

Рис. 1. Семейство ВАХ РДП, измеренное при разных значениях магнитного поля.

Расстояние между ступенями как собственными модами РДП в качестве резонатора определяется скоростью распространения волны /„ = п-сш/ 21, а частота пересчитывается в напряжение при помощи соотношения Джозефсона. Расстояние между ступенями получается равным [3]

к ь , к с Ь. Л с,

¿к1

2е 2е21 2г Ь

Было проведено исследование множества РДП различных модификаций с целью определения оптимальных параметров для работы в резонансном режиме, а также с целью выявления повторяемости характеристик для образцов, изготовленных в различных циклах при разных технологических условиях. Таким образом, были исследованы образцы различной геометрии (длина, ширина перехода, величина перекрытия верхнего и нижнего электродов), различной структуры (№>/АЮх/ЫЬ, ЫЪ/АШ/ЫЪЫ), различной плотности критического тока через переход, а также экранированные переходы металлизированным слоем над верхним электродом. Длина исследованных образцов РДП менялась от 100 мкм до 1400 мкм, характерная плотность критическото тока]с составляла 4-10 кА/см2, что соотвествует джозефсоновской глубине 1/ = 8-3 мкм.

Были определены оптимальные параметры РДП для реализации непрерывной перестройки частоты в резонансном режиме. При данных характерных плотностях критического тока оптимальная длина для РДП на основе МЬ/АЮ/ЫЬ составила 600-700 мкм, в то время как для структуры №>/АШ/№>Ы - 400 мкм. Для анализа полученных результатов были проведены

теоретические оценки расстояния между ступенями Фиске (см. выражение (1)), а также некоторой «граничной» длины РДП, при котором резонансный режим исчезает при реализованных параметрах затухания электромагнитной волны в переходе а [4]:

— Н — __ Т Т? ÍГ

(2)

а =

здесь рс - так называемый параметр Мак-Камбера. Для реализации резонансного режима должно выполняться условие я/ = < 1 [2], где /-длина РДП, нормированная на Я/. Значение параметра а. растет скачком при напряжении самонакачки У}3с и рассчитывается из экспериментальной формы ВАХ. Проведено сравнение экспериментальных и теоретических результатов. На рис. 2 и 3 продемонстрирован результат сравнения экспериментальных и теоретических результатов, получено их хорошее согласие.

! - теор. расчет (с™ = 5 48- 10е м/с)

1! * эксперимент

1 Г^Ь-АЮк-ИЬ

1 ...... ~ теор. расчет (сзд » 6,59-10® м.'с)

I1 Й ♦ эксперимент

, у/ - а = 0,00364

' // ----а = 0.0245

AJ = 3,23 мкм

ЫЬ-АЮ,-ЫЬ

- а = 0,00790

----а -0.0432

Аз = 6.05 мкм

........ а1= 1

1000 1200 1400

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Длина РДП, мкм

Длина РДП (Ц, мкм

Рис. 3. Зависимость параметра а! от

Рис. 2. Зависимость расстояния между Длины РДП при различных значениях

ступенями Фиске от длины РДП ' а' РеализУемь1Х в различных режимах

работы.

Ширина линии генерации РДП в классической модели зависит от дифференциального сопротивления (Я^) перехода в рабочей точке, а также от спектральной плотности высокочастотных флуктуаций тока через переход Б/0), которые преобразуются вниз по частоте в результате перемножения с сигналом джозефсоновской генерации [4]. Плотность таких флуктуаций является нелинейной суперпозицией теплового и дробового шумов и зависит от вольт-амперных параметров перехода (рабочей точки) и температуры. Однако, многочисленные исследования показали, что помимо дифференциального сопротивления как такового (по току смещения) в ширину линии генерации дает также вклад дифференциальное сопротивление по току через линию

управления магнитным полем Я/1. Поэтому столь важно знать зависимости как первого, так и второго дифференциальных сопротивлений перехода от положения рабочей точки в различных рабочих областях. Проведены исследования дифференциальных сопротивлений Б.,1 и Я/г' от тока при постоянном напряжении (см. рис. 4), от напряжения при постоянном токе как в области ступеней Фиске, так и в области флакс-флоу, а также в пределах одной ступени Фиске. Апробирована модель ширины линии излучения, учитывающая также низкочастотные внешние флуктуации тока, вызванные неидеальностью измерительной системы и неотъемлемо присутствующие в системе:

8/ = • 5,(0).[ъ+к-Я-]* +!"(*„ + О"■ (3)

Внешние флуктуации, в отличие от «классического» члена, квадратично зависящего от имеют линейную зависимость от и потому дают значительный вклад в ширину лини при низких На рис. 5 приведен график со сравнением экспериментальных и расчетных результатов для трех различных образцов РДП, демонстрирующий хорошее согласие эксперимента с предложенной моделью. В конце главы приведены выводы серии проведенных исследований.

10"3 ю"' ю'

5 «к |

I с

# ,

о«1

Ток смещения. мА,'

40 50

Рис. 4. Зависимость дифференциальных сопротивлений К^ и К^1 от тока смещения при постоянном напряжении в режиме работы РДП «флакс-флоу».

Образец 1: I = 37 мА; ЯпЭ - 37 / * эксперимент

расчёт: К= 0.08 *

Образец 2: I = 21 ыА; РпЭ - 37 * эксперимент —расчёт: к= 0.05 Образец 3: I = 30 мА: КпБ - 36

ъ эксперимент — расчёт: К = 0.07

-1-■-[-1—I—I I I I |-1-1-г—1 I I I I

10"3 10"'

Дифференциальное сопротивление, Ом

Рис. 5. Зависимость ширины линии от В.^. экспериментальная и расчетная, описываемая формулой (3).

Четвертая глава посвящена исследованию процессов тепловыделения в системе СИП, влияющих на функционирование как отдельных элементов микросхемы приемника, так и всего прибора в целом. СИП, как и любое сверхпроводниковое устройство, работающее при температурах жидкого гелия

и ниже (Т<4,2 К), крайне чувствителен к изменениям рабочей температуры в системе. В частности, при повышении температуры на десятые доли К происходит уменьшение щелевого напряжения СИС-перехода [1,4], а следовательно всей формы ВАХ, ухудшение чувствительности и спектральных характеристик генератора на основе РДГ1. Кроме того, требуется время порядка 2 минут для установления новых параметров рабочей точки базовых элементов

Помимо неизбежных источников тепла в системе (основных рабочих элементов СИП), тепловыделение вносится проволоками, осуществляющими электрический контакт между элементами микросхемы и печатной платой, через которую осуществляется питание всех функциональных элементов.

задающей/измерительной цепи единичной проволоки для осуществления контакта. Единичная проволока вносит вклад, являющийся суммой сопротивлений самой проволоки и контактного сопротивления между проволокой и контактной площадкой микросхемы. В качестве объективного и наиболее чувствительного фактора тепловыделения в системе взято изменение щелевого напряжения СИС-смесителя AVg. Наибольшие токи в системе приемника протекают в цепях управления током смещения (1В) и током управления магнитным полем (/ci), поэтому именно эти цепи были использованы для определения вклада в сопротивление единичной проволоки. При этом сама линия управления магнитным полем не вносит вклада в тепловыделение в системе, поскольку конструктивно представляет собой пленку из сверхпроводника и не имеет сопротивления. Рис. 6 демонстрирует зависимость AVg от токов 1В и 1а, на основании которой производится оценка вклада проволок в общее тепловыделение в системе.

То* сыещения РДП, мА *|

СИП.

Описана

методика определения вклада в сопротивление

множества

контактов

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

использованием одной проволоки. 1 - проволока, 2 — контактная площадка платы смсщеггия, 3 -контактная площадка микросхемы СИП, 4 - микросхема СИП

Ток линии управления маоштиым полем РДП мА

Рис. б. Зависимость изменения щелевого напряжения СИС-смесителя от токов смещения и линии управления магнитным полем РДП.

контактная

Приведены результаты измерения вклада единичной проволоки в общее сопротивление канала, вклад оказался равным порядка 0,15-0,2 О. Установлено количественное соотношение между сопротивлением проволоки (которое составило не более 0,01 О) и контактным сопротивлением. Показано, что основной вклад (более 90%) в тепловыделение вносит контактное сопротивление между проволокой и площадкой микросхемы. Описана модернизированная методика установления контактов (рис. 7), предложенная с целью понижения контактного сопротивления как определяющего фактора тепловыделения в системе. Описаны положительные результаты с использованием новой методики, подана заявка на патент. Сформулированы выводы главы.

В пятой главе изложены результаты разработки и исследования сверхпроводникового интегрального приемника с гетеродином на основе РДП и смесителем на основе болометра на эффекте электронного разогрева (НЕВ) (рис. 8). НЕВ-смеситель был согласован со щелевой антенной, рассчитанной на центральную частоту 600 ГГц. Было проведено измерение частотной зависимости прямого отклика детектора при помощи разработанного и описанного в главе 2 лабораторного Фурье-спектрометра. Данная характеристика фактически является характеристикой квазиоптической системы совместно с цепью подвода мощности РДП к НЕВ-смесителю и схемы ПЧ-тракта, поскольку чувствительность НЕВ-детектора практически не зависит от частоты в рабочей полосе антенны. Квазиоптическая система состоит из эллиптической кремниевой линзы, интегрированной с антенной.

Напряжение НЕВ. мв

Т = 4.2 К

генератор гетеродина

4С0.700 ГГц

НЕВ-смеситель

гармоническим

сис-

шесктепь

усилитель усилитель усилитель

ПЧ ПЧ ПЧ

ФАПЧ

опорный синтезатор 20 ГГи I

оконечный спектрометр

Рис. 8. Блок-схема сверхпроводникового интегрального приемника на основе НЕВ-смесителя

400 450 500 550 600 650 700 Частота, ГГц

Рис. 9. Отношения уровней ПЧ в режиме «горячей» и «холодной» нагрузок: кривые 1-3 — в зависимости от напряжения НЕВ-смссителя (на частоте 600 ГГц) при различной мощности накачки; кривая 4 - в зависимости от частоты в рабочей точке 1 мВ.

Приведены вольт-амперные характеристики основных элементов СИП, расположенных на микросхеме: НЕВ-смесителя и генератора гетеродина на основе РДП. Обозначена оптимальная рабочая область НЕВ-смесителя. Показаны ПЧ-характеристики HEB, его шумовая температура, измеренная при помощи определения величины Y-factor (рис. 9). Проанализировано расположение оптимальной (для реализации максимальной чувствительности) рабочей точки НЕВ-смесителя, отмечено, что положение оптимальной рабочей точки зависит как от частоты, так и от уровня накачки мощностью РДП. В конце главы сформулированы выводы.

Шестая глава посвящена исследованию спектральных характеристик ТГц генератора па основе ВТСП-мезоструктуры Bi2Sr2CaCu208+6, представляющей собой массив из N последовательных джозефсоновских переходов [5]. Описана концепция генератора и метод измерения его спектральных характеристик. Спектральные характеристики генератора измерялись при помощи спектрометра на основе СИП. При этом ВТСП-генератор на основе мезоструктуры размещался в отдельной криогенной установке с целью уменьшения влияния температурного режима генератора на режим интегрального приемника, работающего при температурах Т<4,5К. Представлены вольт-амперные характеристики генератора, обозначены режимы его работы: при высоких токах смещения (high bias regime) и при низких токах {low bias regime). Впервые в мире была проведена серия экспериментов по измерению спектральных характеристик таких генераторов с частотным разрешением лучше 1 МГц при помощи СИП. Зарегистрированы линии излучения генератора шириной от б до более 500 МГц в частотном диапазоне 450-750 ГГц (рис. 10, 11), показано, что форма линии с высокой степенью точности является лоренцевой. Продемонстрирована высокая стабильной линии генерации. Максимальная мощность ТГц излучения, принимаемая СИС-смесителем в составе интегрального приемника, составила порядка 1,2мкВт, что в несколько раз превосходит мощность «накачки», необходимую для оптимальной работы СИП. Показано, что из двух режимов работы лишь в одном {high bias regime) реализуются достаточно хорошие спектральные характеристики, пригодные для реальных практических применений таких генераторов.

Проведены эксперименты по стабилизации частоты генератора при помощи комнатной системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Показано, что при некоторых условиях реализация режима ФАПЧ возможна в конструкции данного генератора. Посредством проведенных измерений линий поглощения газов (NH3 и Н20) в газовой ячейке при различном давлении

продемонстрирована принципиальная возможность применения данного типа генераторов для спектрального анализа газовой смеси (совместно с СИП).

5.8 6.0 6.2 6.4 6.6 Промежуточная частота СИП, ГГц

юоо =г

= 100

с га

•ъ.

s/W

1-40 К, Highb.

2-32 К, High Ь. 3 - 35 К, Low b.

560 580 600 620 640 660 650 700 720 Частота, ГГц

Рис. 10. Спектр излучения генератора, измеренный при помощи СИП с диапазоном промежуточных частот 4-8 ГГц (1) и кривая лоренцевой формы (2). Частота fa = 611,95 ГГц, рабочая температура 44 К, количество переходов

N~ 570. Измерения

проводились в режиме «high-bias». Вставка слева демонстрирует смещение пика линии излучения вследствие свободного дрейфа системы. Рис. 11. Зависимость ширины линии излучения генератора от частоты при различных температурах и в различных режимах:

1 -40 К, режим high-bias;

2 — 32 К, режим high-bias;

3 - 35 К, режим low-bias.

Основные результаты паботы

1. Создана установка и проведена настройка лабораторного терагерцового Фурье-спектрометра на основе интерферометра Майкельсона для исследования частотной зависимости чувствительности детектора в составе СИП в режиме прямого детектирования. Реализована полоса исследуемой области частот -0,1 -30 ТГц с предельным спектральным разрешением лучше 1,5 ГГц. Успешно протестированы несколько образцов СИП с рабочим диапазоном принимаемых частот 450 - 700 ГГц.

2. Проведено исследование резонансного режим работы серии генераторов на основе РДП различной структуры, длин и различной плотности

критического тока через барьер на частотах генерации 250-400 ГГц. Установлено, что для реализации непрерывной перестройки частоты в указанном диапазоне оптимальная длина перехода зависит от типа используемой трехслойной структуры и составляет 600 - 700 мкм для №>/А10х/№> и 400 мкм для ЫЬ/АЖУЛЬМ при параметре К„ Б порядка 40 - 50 Ом-мкм2. Получено хорошее согласие экспериментальных результатов с теоретическими расчетами.

3. Проведено исследование зависимости дифференциальных сопротивлений РДП по току смещения, а также по току линии управления магнитным полем, дающих прямой вклад в ширину линии излучения, от вольт-амперных параметров перехода, а также от электрофизических параметров структуры. Апробирована эмпирическая модель, учитывающая внешние низкочастотные флуктуации тока в цепи управления и измерения РДП, а также флуктуации тока в линии управления магнитным полем. Определены параметры для точного расчёта ширины линии излучения в соответствии с предложенной моделью. Установлена зависимость этих параметров положения рабочей точки,

4. Исследованы процессы тепловыделения в криогенной системе в рабочем режиме СИП и изучено их влияние на функционирование прибора. Показано, что типичные рабочие вольт-амперные параметры рабочих элементов СИП оказывают взаимное влияние на форму ВАХ друг друга. Установлено, что основной вклад (более 90%) в тепловыделение, отрицательно влияющее на функционирование приемника, вносит контактное сопротивление между контактными площадками микросхемы и проволоками, обеспечивающими электрический контакт микросхемы с платой смещения. Предложена и апробирована альтернативная методика установления контактов, с использованием которой контактное сопротивление удалось понизить в 3-4 раза. Подана заявка на патент.

5. Впервые исследован интегральный приемник с генератором гетеродина на основе РДП и смесителем на основе сверхпроводникового болометра, работающего на эффекте электронного разогрева. Реализован уровень накачки НЕВ-смесителя мощностью от РДП, достаточный для работы устройства на основе такой интеграции в качестве ТГц приемника. При помощи Фурье-спектрометра исследована частотная характеристика антенны, интегрированной с кремниевой линзой. Реализован рабочий частотный диапазон . 450-620 ГГц, наилучшая шумовая температура приемника составила порядка 1000 К.

6. При помощи СИП впервые исследованы спектры излучения генератора на основе слоистой ВТСП-мезоструктуры BÍ2Sr2CaCu208+s в диапазоне 450-736 ГГц с разрешением лучше 1 МГц. Уровень мощности линии генератора составил порядка 30 дБ над уровнем шума ПЧ, ширина линии генерации менялась в широком диапазоне и составила от б до > 500 МГц, показано, что форма линии с высокой степенью точности является лоренцевой. Установлено, что мощность и ширина спектра излучения значительно меняется с изменением рабочей точки на ВАХ генератора и рабочей температуры. Максимальная мощность излучения, поступающая на СИС-смеситель, составила более 1 мкВт. Продемонстрирована возможность измерения линии поглощения газов. Проведена успешная попытка фазовой синхронизации генератора.

Перечень публикаций по теме диссертации

- статьи в журналах из рекомендованного перечпя ВАК:

[А1]. Н. В. Кннев, В. П. Кошелец, «Сверхпроводниковый генератор гетеродина для интегрального приёмника субММ диапазона», Нелинейный мир, №6, т.7, стр. 475-477,2009.

[А2]. Н. В. Кннев, В. П. Кошелец, П.Н. Дмитриев, «Разработка и исследование микросхемы интегрального приёмника миллиметровых волн на основе джозефсоповских туннельных структур», Нелинейный мир, №2, т.8, стр. 130-131,2010.

[A3]. Gert de Lange, Dick Boersma, Johannes Dercksen, Pavel Dmitriev, Andrey B. Ermakov, Lyudmila V. Filippenko, Hans Golstein, Ruud W.M. Hoogeveen, Leo de Jong, Andrey V. Khudchenko, Nickolav V. Kinev, Oleg S. Kiselev, Bart van Kuik, Arno de Lange, Joris van Rantwijk, Alexander S. Sobolev, Mikhail Yu. Torgashin, Ed de Vries, Pavel A. Yagoubov, and Valéry P. Koshelets, "Development and Characterization of the Superconducting Integrated Receiver Channel of the TEL1S Atmospheric Sounder", Supercond. Sei. Technol. vol. 23, No 4,045016 (8pp), 2010.

[A4]. Дмитриев П.Н., Ермаков А.Б., Кинев H.B., Киселев О.С., Кошелец В.П., Соболев A.C., Торгашин М.Ю., Филиппенко JI.B., Худченко A.B., Amo de Lange, Gert de Lange, Pavel A. Yagoubov, «Сверхпроводниковый интегральный приёмник субмиллиметрового диапазона», Успехи современной радиоэлектроники. Зарубежная радиоэлектроника. №5, стр. 75-81,2010.

[А5]. R.V. Ozhegov, K.N. Gorshkov, G.N. Gol'tsman, N.V. Kinev, V.P. Koshelets, «The stability of a terahertz receiver based on a superconducting integrated receiver», Supercond. Sci. Technol. vol. 24, 035003 (4pp), 2011.

[А6]. Valery P Koshelets, Manfred Birk, Dick Boersma, Johannes Dercksen, Pavel Dmitriev, Andrey В Ermakov, Lyudmila V Filippenko, Hans Golstein, Ruud W M Hoogeveen, Leo de Jong, Andrey V Khudchenko, Nickolay V Kinev, Oleg S Kiselev, Pavel V Kudryashov, Bart van Kuik, Arno de Lange, Gert de Lange, Irina L Lapitsky, Sergey I Pripolzin, Joris van Rantwijk, Avri M Selig, Alexander S Sobolev, Mikhail Yu Torgashin, Vladimir L Vaks, Ed de Vries, Georg Wagner, Pavel A Yagoubov, «Integrated Submm Wave Receiver: Development and Applications», - Chapter in the book "Nanoscience Frontiers - Fundamentals of Superconducting Electronics", Springer Serie: Nanoscience and Technology_35372, pp. 263-296, Editor: Anatolie Sidorenko, 2011.

[А7]. H. В. Кипев, В. П. Кошелец, «Режимы работы и ширина линии излучения сверхпроводникового генератора гетеродина», Нелинейный мир, №2, т.9, стр. 109-111,2011.

[А8]. О. Kiselev, М. Birk, A. Ermakov, L. Filippenko, Н. Golstein, R. Hoogeveen, N. Kinev, В. van Kuik, A. de Lange, G. de Lange, P. Yagoubov, and V. Koshelets, «Balloon-Bome Superconducting Integrated Receiver for Atmospheric Research», IEEE Trans, on Appl. Supercond., vol. 21, № 3, pp. 612-615, 2011.

[А9]. Mengyue Li, Jie Yuan, Nickolay Kinev, Jun Li, Boris Gross, Stefan Guenon, Akira Ishii, Kazuto Hirata, Takeshi Hatano, Dieter Koelle, Reinhold Kleiner, Valery P. Koshelets, Huabing Wang, Peiheng Wu, «Linewidth dependence of coherent terahertz emission from BiiS^CaCuiO^s intrinsic Josephson junction stacks in the hot-spot regime», Phys. Rev. В 86, 060505(R), 2012.

[А10]. Кннев H.B., Кошелец В.П., Филиппенко JI.B., Ожегов Р.В., Горшков К.Н., Гольцман Г.Н., Селезнев В.А., «Сверхпроводниковый интегральный приемник со смесителем па эффекте электронного разогрева», Радиотехника, том 1, 2013.

[All], Н.В. Кипев. В.П. Кошелец, «Процессы тепловыделения в криогенной системе и irx влияние на функционирование сверхпровдникового интегрального приемника», ЖТФ, том 83, вып. 3, стр. 123-131,2013.

- доклады на конференциях с публикацией тезисов

[А12]. Valery P. Koshelets, Andrey В. Ermakov, Pavel N. Dmitriev, Lyudmila V. Filippenko, Andrey V. Khudchenko, Nickolay V. Kinev. Oleg S. Kiselev, Alexander S. Sobolev, Mikhail Yu. Torgashin, "Phase-locked Local Oscillator

for Superconducting Integrated Receiver", presented at the 19th International Symposium on Space Terahertz Technology (ISSTT-08), Groningen, the Netherlands, April 2008, report 7-5; published in the Proceedings of the ISSTT-08, pp. 211-220.

[А13]. Nickolav Kinev. Valery Koshelets, "Development of integrated receiver for radio astronomy", The 10-th Workshop on Submm-Wave Receiver Technologies in Eastern Asia, Wu-Xi, China, November 15-18, 2009. Адрес в сети Интернет:

http://mwlab.pmo.ac.cn/easternasia2009/nroceedmg.html

[А14]. В.П. Кошелец, О.С. Киселев, Н.В. Кипев, М.Ю. Торгашин, А.В. Худчепко, B.JI. Вакс, С.И. Приползин, «Сверхпроводииковый интегральный спектрометр для неинвазивной медицинской диагностики», Труды III Евразийского конгресса по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика - 2010», том 4, стр. 157-159,2010.

[А!5]. Valeiy P. Koshelets, Pavel N. Dmitriev, Andrey В. Ermakov, Lyudmila V. Filippenko, Andrey V. Khudchcnko, Nickolav V. Kinev, Pavel Kudryashov, Oleg S. Kiselev, Mikhail Yu. Torgashin, Leo de Jong, Pavel A Yagoubov, GertdeLange, «Superconducting Integrated THz Receiver». Conference Guide 35th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, IRMMW-THz 2010. Rome, 2010. C. 5612575.

[А16]. Valery P. Koshelets Andrey B. Ermakov, Lyudmila V. Filippenko, Nickolav V. Kinev. Oleg S. Kiselev, Mikhail Yu Torgashin, Arno de Lange, GertdeLange, Sergey I Pripolzin, and Vladimir L Vaks, "Superconducting integrated THz receivers: development and applications". Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering Infrared, Millimeter Wave, and Terahertz Technologies. Volume: 7854, Article number 78540J. Beijing, 2010.

[А17]. Н.В. Кипев, В.П. Кошелец, П.Н. Дмитриев, «Сверхпроводниковый генератор гетеродина субмм диапазона волн: режимы работы и ширина линии излучения», доклад на 2-ой Международной научной конференции «Прикладная сверхпроводимость - 2011», Москва, 4 марта 2011. Адрес в сети Интернет:

http://www.atomic-energv.ni/events/2011/03/04/17812

[А18]. В.П.Кошелец, П.Н.Дмитриев, А.Б. Ермаков, К.В.Калашников, О.С. Киселев, ILB. Кинев, Ю.С. Токпанов, М.Ю. Торгашин, JI.B. Филиппенко, А.В. Худченко, B.JI. Вакс, С.И. Приползин, «Сверхпроводниковые интегральные приемники ТГц диапазона: разработка и применения», Труды XV международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, стр. 11-14,2011.

[А19]. Н.В. Wang, M.Y. Li, J.Yuan, N. Kinev, J.Li, В. Gross, S.Guenonz, A.Ishii, T.Hatano, D.Koelle, R.Kleiner, V.P. Koshelets, P.H. Wu, «А Tunable 350-780 GHz CW Solid State Oscillator of Intrinsic Josephson Junctions in a high-Tc Superconductor», Abstract for 37th IRMMW-THz, Wollongong, Australia. 23-28 Sept., 2012.

[А20]. V.P. Koshelets, V,B. Borisov , P.N. Dmitriev, A.B. Ermakov, L.V .Filippenko, N.V. Kinev. A.V. Khudchenko, O.S. Kiselev, A.S. Sobolev, M.Yu. Torgashin, P.A. Yagoubov, G. de Lange, W. Wild, R.W.M Hoogeveen, "Development of the Superconducting Integrated Spectrometer for TELIS", Joint International Workshop "A new generation of ultra-sensitive detectors for dark energy and cosmology experiments", Bjorkliden, Kiruna, Sweden, March 30 -April 6, 2008.

[А21]. V.P. Koshelets, A.B. Ermakov, L.V. Filippenko, A.V. Khudchenko, N.V. Kinev. O.S. Kiselev, A.S. Sobolev, M.Y. Torgashin, G. de Lange, P.A. Yagoubov, R.W.M. Hoogeveen, W. Wild, «Development and Characterization of the Superconducting Integrated Spectrometer for TELIS», Abstract for the Applied Superconductivity Conference ASC-2008. Chicago, USA, August 2008, invited report 3EPE03.

[А22]. V.P. Koshelets, A.B. Ermakov, P.N. Dmitriev, L.V. Filippenko, A.V. Khudchenko, N.V. Kinev, O.S. Kiselev, A.S. Sobolev, M.Yu. Torgashin, P.A. Yagoubov, R.W.M. Hoogeveen, and W. Wild, "Superconducting Integrated Submm Wave Receiver" submitted to the Frontiers of Josephson Physics and Nanoscience (FJPN07), 7th International AQDJJ conference, Italy, September 2007.

[А23]. V.P. Koshelets, P.N. Dmitriev, A.B. Ermakov, L.V. Filippenko, A.V. Khudchenko, N.V. Kinev. O.S. Kiselev, A.S. Sobolev, M.Yu. Torgashin, "On-board Integrated submm spectrometer for atmosphere monitoring and radio astronomy", ISTC Thematic Workshop "Perspective materials, devices and structures for space applications", May 26-28, 2009, Yerevan, Armenia.

[А24]. V.P. Koshelets, P.N. Dmitriev, A.B. Ermakov, L.V. Filippenko, A.V. Khudchenko, N.V. Kinev. O.S. Kiselev, A.S. Sobolev, M.Yu. Torgashin, "Superconducting Integrated Receiver", presented at the International Conference on Superconductive Electronics "EuroFlux-2009: from devices to circuits and systems", Avignon, France, September 20-23, 2009.

[А25]. Vladimir L. Vaks, Vladimir Yu. Balakirev, Alexander N. Panin, Sergey I. Pripolzin, Valery P. Koshelets, Oleg S. Kiselev and Nikolay V. Kinev. «The 500-700 GHz Spectrometer with Superconductive Integrated Receiver». Proceedings of 36th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves. IRMMW-THz 2011, October 2-7, 2011, Hyatt Regency Houston, Houston, Texas, USA, F2B.4.1.

[А2б]. В.П. Кошелец, А.Б. Ермаков, K.B. Калашников, О.С. Киселев, Н.В. Кипев. А.А. Мухортова, Ю.С. Токпанов, М.Ю. Торгашин, JI.B. Филиппенко, «Сверхпроводниковые интегральные приемника терагерцового диапазона», доклад на 1-ой Национальной конференции по прикладной сверхпроводимости (НКПС-1), 6-8 декабря 2011, Москва.

Список цитированной литературы

[1] Tucker J.R., Feldman M.J. Quantum detection at millimeter wavelengths. // Rev. Mod. Phys., vol. 4, pp. 1055-1113.1985.

[2] V.P. Koshelets, S.V. Shitov, A.V. Shchukin, L.V. Filippenko, J. Mygind, A.V. Ustinov. Self-Pumping Effects and Radiation Linewidth of Josephson Flux Flow Oscillators // Phys. Rev. В., vol. 56. pp. 5572-5577. 1997.

[3] А. Бароне, Дж. Патерно. Эффект Джозефсона. Москва, "Мир". 1984.

[4] Лихарев К. К. Введение в динамику джозефсоновских переходов. М.: Наука. 1985.

[5] Н.В. Wang, S.Guenon, B.Gross, J.Yuan, Z.G. Jiang, Y.Y. Zhong, M.Gruenzweig, A.Iishi, P.H. Wu, T.Hatano, D.Koelle, and R.Kleiner. Coherent Terahertz Emission of Intrinsic Josephson Junction Stacks in the Hot Spot Regime. // Phys. Rev. Lett., vol. 105, p. 057002. 2010.

Подписано в печать:

24.12.2012

Заказ № 8006 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Кинев, Николай Вадимович

Список используемых сокращений и обозначений

Глава 1. Введение

1.1 Вступление

1.2 Сверхпроводниковый интегральный приемник

1.3 Постановка задачи

Глава 2. Методы экспериментального исследования характеристик генераторов и детекторов ТГц диапазона

2.1 Измерение ширины линии излучения генераторов на основе РДП

2.2 Измерение дифференциальных сопротивлений РДП

2.3 Измерение прямого отклика ТГц детектора и разработка лабораторного Фурье-спектрометра

2.4 Измерение шумовой температуры интегрального приемника.

Глава 3. Режимы работы и ширина линии излучения ТГц генератора на основе РДП

3.1 Концепция генератора на основе РДП, В АХ и режимы работы.

3.2 Исследование резонансного режима работы генератора

3.3 Дифференциальные сопротивления генератора

3.4 Ширина линии излучения генератора

3.5 Выводы главы

Глава 4. Исследование процессов тепловыделения в криогенной системе интегрального ТГц приемника

4.1 Актуальность исследования

4.2 Определение вклада в тепловыделение проволок, обеспечивающих контакт интегральной микросхемы с платой управления.

4.3 Определение контактного сопротивления.

4.4 Модернизированная методика установления контактов.

4.5 Выводы главы

Глава 5. Сверхпроводниковый интегральный ТГц приемник со смесителем на эффекте электронного разогрева

5.1 Введение

5.2 Конструкция интегрального приемника

5.3 Характеристики квазиоптической системы

5.4 Комплексное исследование характеристик приемника

5.5 Выводы главы

Глава 6. Спектральные характеристики ТГц генератора на основе мезоструктуры Bi2Sr2CaCu208+

6.1 Концепция генератора и методы исследования

6.2 Вольт-амперные характеристики генератора и режимы работы.

6.3 Спектральные характеристики генератора

6.4 Фазовая автоподстройка частоты излучения генератора

6.5 Измерение линии поглощения газов при помощи генератора.

6.6 Выводы главы

Введение диссертация по физике, на тему "Генерация и прием ТГц излучения с использованием сверхпроводниковых интегральных устройств"

В последние два десятилетия большой научный и практический интерес представляют генераторы и приёмники терагерцового излучения (300 ГГц-10 ТГц), в мире ведутся интенсивные разработки устройств для приема и обработки сигналов данного частотного диапазона [1-12]. Растущий интерес к этой теме обусловлен широтой и актуальностью потенциальных областей применений ТГц технологий. Такие устройства особенно востребованы в радиоастрономии и астрофизике [1-6]. Причина этого состоит в том, что подавляющая часть электромагнитного излучения в космическом пространстве лежит в области 300 ГГц-30 ТГц (0,01 - 1 мм). Межзвёздное вещество, космическая пыль, молекулярный газ в галактиках, включая наш Млечный Путь, а также реликтовое излучение - всё это имеет выраженный пик излучения в дальней ИК- и субмм области. Следует отметить, что для исследования космического излучения требуется высокая чувствительность приемных устройств. Так, например, межзвёздная пыль излучает как чёрное тело с температурой от 5 до 50 К, а облака из молекулярного газа имеют температуру от 10 до 200 К, их наиболее яркие линии излучения лежат в терагерцовом диапазоне.

Диапазон ТГц частот активно осваивается и уже дал важнейшую информацию для космологии и внегалактической астрономии, физики Галактики, галактических объектов и Солнечной системы. Сверхвысокое разрешение и высокая чувствительность в указанных диапазонах позволит детально исследовать множество звёзд с планетными системами. В этих диапазонах очень мал эффект рассеяния излучения из-за флюктуаций межзвездной плазмы, что способствует получению изображений сверхкомпактных объектов, высокоточному измерению их координат и параметров движения. Могут проводиться исследования сигналов как с 5 непрерывным спектром, так и отдельных молекулярных и атомных линий, исследования могут также включать поляризационные измерения и наблюдения переменности объектов.

Приемники ТГц диапазона находят применение также в миссиях по исследованию атмосферы Земли [7], поскольку в атмосфере содержится много веществ, в том числе ответственных за разрушение озонового слоя, молекулы которых имеют линии излучения (колебательные, вращательные переходы) в данной области. Так, в рамках международного проекта ТЕЫБ были совершены несколько научных запусков прибора для дистанционного исследования атмосферы с борта высотного аэростата в диапазоне 450 - 650 ГГц в режиме наклонного сканирования. Кроме того, в качестве возможных направлений использования таких приборов следует отметить следующие области:

• медицина - неинвазивная диагностика ряда болезней методом спектрального анализа состава выдыхаемого воздуха [8-9,11];

• безопасность - выявление и определение взрывчатых, отравляющих и других опасных веществ по их «запаху», а также предметов даже сквозь оптически непрозрачные оболочки по их тепловому излучению [10-11];

• химия и биология - исследование состава сложных химических соединений, в том числе и белков [8,11-12];

Время накопления для приема сверхслабых сигналов и обнаружения сверхмалых концентраций веществ значительно растет с увеличением шумовой температуры используемого приемника. Детекторы и приемники ТГц излучения на основе туннельных джозефсоновских структур б типа сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС) являются наиболее чувствительными из всех существующих в области до 1 ТГц [13-21]. Это объясняется чрезвычайно высокой нелинейностью сверхпроводников, а также криогенной рабочей температурой (4.2 К и ниже) и, следовательно, предельно низкими собственными шумами. Высокочувствительными сверхпроводниковыми устройствами в области выше 1 ТГц являются болометры на основе разогрева электронного газа (HEB) [22-25], которые могут использоваться как в качестве прямых, так и в качестве гетеродинных детекторов в ТГц диапазоне. Сверхпроводниковые гетеродинные приемники терагерцового излучения активно используются во многих наземных и космических радиоастрономических миссиях (ALMA, Hershel, др. [6,26]), а также в проектах по исследованию атмосферы (TELIS) [27]. К сверхчувствительным прямым детекторам на основе сверхпроводниковых элементов следует отнести сенсоры на краю перехода (СКП) и детекторы кинетической индуктивности (KID) [26], а также болометры на холодных электронах (БХЭ) [28-29].

Важным фактором в разработке ТГц технологий является то, что в данной области частот наблюдается существенное поглощение сигнала парами воды в атмосфере [30]. Поэтому все приемники и радиотелескопы располагаются на значительной высоте или устанавливаются на борту специальных аэростатов, самолетов и спутников. В полетных миссиях помимо чувствительности прибора огромное значение играют его габариты, вес и энергопотребление. Именно эти параметры обуславливают возможность и целесообразность использования того или иного прибора. Следует отметить, что для гетеродинного детектирования требуются малошумящие и легко перестраиваемые генераторы принимаемого диапазона. Большинство приемников ТГц диапазона имеют в качестве гетеродина внешний источник. В частности, генераторы на базе лампы обратной волны (ЛОВ), традиционно применявшиеся в качестве гетеродина в лабораториях и на радиотелескопах, обладают очень большой массой из-за необходимости 7 использовать сильный постоянный магнит и высоковольтный источник питания. В качестве гетеродина ТГц диапазона в лабораторных условиях используют газовые лазеры (крупногабаритные и тяжелые), ведутся разработки квантово-каскадных (полупроводниковых) лазеров, а также фотонных генераторов, работающих на разностной частоте двух лазеров. Такие устройства являются весьма сложными в производстве и, как правило, дорогостоящими, поэтому отсутствие компактных, легко перестраиваемых и недорогих источников гетеродина в ТГц области является серьезной проблемой. За последние несколько лет существенно развиты также полупроводниковые ТГц умножители на основе квантовых полупроводниковых сверхрешеток и диодов Шоттки, обладающие рядом преимуществ по сравнению с перечисленными. Такие умножители работают совместно с источниками до 100 ГГц (серийно выпускаемые синтезаторы либо диоды Ганна), давая сигнал на выходе до 2,7 ТГц, однако для их функционирования требуются усилители диапазона 100 ГГц и мощностью более 200 мВт. Такие усилители производятся только в двух фирмах и не являются коммерчески доступными.

Другим перспективным типом генераторов, предложенным сравнительно недавно, являются мезоструктуры из ВТСП, представляющие собой большой массив (порядка 1000) последовательно соединённых джозефсоновских переходов [36-37]. Работы в этом направлении являются 8 пионерскими, такие генераторы активно исследуются в настоящий момент [38-40], но ещё не успели найти практического применения. Это обусловлено, в частности, тем, что до сих пор не был экспериментально измерен спектр излучения такого генератора. Поэтому, наиболее важным, в первую очередь, является исследование линии генерации такой структуры, что послужит фундаментом для построения теории и создания практических устройств в дальнейшем.

Основные экспериментальные методики и лабораторные установки для исследования ряда характеристик ТГц приемников и генераторов описаны в Главе 2 настоящей диссертационной работы.

Заключение диссертации по теме "Радиофизика"

6.6 Выводы главы

Объектом исследования данной главы диссертационной работы являлся ТГц генератор на основе ВТСП-мезоструктуры Bi2Sr2CaCu208+s, представляющий собой массив из N последовательных джозефсоновских переходов, образованных кристаллической структурой материала. В результате работы:

- впервые были исследованы спектральные характеристики излучения такого генератора при помощи СИП с точностью лучше 1 МГц;

- реализован спектр излучения генератора в области 450 -750 ГГц с шириной линии от 6 до более 500 МГц и высокой стабильностью; максимальная мощность излучения составила порядка 1,2мкВт\ показано, что линия излучения с высокой степенью точности является лоренцевой;

- продемонстрирована необычная зависимость мощность излучения от температуры и рабочей точки на ВАХ генератора;

- показано, что единственным рабочим режимом мезоструктуры в качестве ТГц генератора является режим ВАХ при высоких токах смещения «high-bias»;

- продемонстрирована возможность фазовой стабилизации излучения генератора;

- продемонстрирована возможность использования генератора для измерения спектральных линий поглощения газов при помощи СИП.

Заключение

В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие результаты:

1. Создана установка и проведена настройка лабораторного терагерцового Фурье-спектрометра на основе интерферометра Майкельсона для исследования частотной зависимости чувствительности детектора в составе СИП в режиме прямого детектирования. Реализована полоса исследуемой области частот ~0,1 - 30 ТГц с предельным спектральным разрешением лучше 1,5 ГГц. Успешно протестированы несколько образцов СИП с рабочим диапазоном принимаемых частот 450 - 700 ГГц.

2. Проведено исследование резонансного режим работы серии генераторов на основе РДП различной структуры, длин и различной плотности критического тока через барьер на частотах генерации 250 - 400 ГГц. Установлено, что для реализации непрерывной перестройки частоты в указанном диапазоне оптимальная длина перехода зависит от типа используемой трехслойной структуры и составляет 600 - 700 мкм для №>/А10х/№> и 400 мкм для КЬ/АШ/ЫЬЫ при параметре Яд-Б порядка 40-50 Ом-мкм2. Получено хорошее согласие экспериментальных результатов с теоретическими расчетами.

5. Впервые исследован интегральный приемник с генератором гетеродина на основе РДП и смесителем на основе сверхпроводникового болометра, работающего на эффекте электронного разогрева. Реализован уровень накачки НЕВ-смесителя мощностью от РДП, достаточный для работы устройства на основе такой интеграции в качестве ТГц приемника. При помощи Фурье-спектрометра исследована частотная характеристика антенны, интегрированной с кремниевой линзой. Реализован рабочий частотный диапазон 450 - 620 ГГц, наилучшая шумовая температура приемника составила порядка 1000 К.

6. При помощи СИП впервые исследованы спектры излучения генератора на основе слоистой ВТСП-мезоструктуры Bi2Sr2CaCu208+5 в диапазоне 450 - 736 ГГц с разрешением лучше 1 МГц. Уровень мощности линии генератора составил порядка 30 дБ над уровнем шума ПЧ, ширина линии генерации менялась в широком диапазоне и составила от 6 до > 500 МГц, показано, что форма линии с высокой степенью точности является лоренцевой. Установлено, что мощность и ширина спектра излучения значительно меняется с изменением рабочей точки на ВАХ генератора и

126 рабочей температуры. Максимальная мощность излучения, поступающая на СИС-смеситель, составила более 1 мкВт. Продемонстрирована возможность измерения линии поглощения газов. Проведена успешная попытка фазовой синхронизации генератора.

Вопросы авторства, благодарности

Работы, описанные в настоящей диссертации, были выполнены соискателем в соавторстве с сотрудниками лаборатории сверхпроводниковых устройств для приема и обработки информации ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН и Московского государственного педагогического университета (Mill У), а также Нанкинского Университета (г. Нанкин, Китай). Для проведения работ частично были использованы устройства и материалы, любезно изготовленные и предоставленные коллегами из Нанкинского Университета, г. Нанкин, Китай и коллегами из МШУ, г. Москва.

Института космических исследований Нидерландов Leo de Jong, г. Гронинген. Цикл экспериментов по исследованию спектральных характеристик генератора на основе ВТСП-мезоструктуры проведен диссертантом совместно с научным руководителем В.П. Кошельцом и

127 коллегой из Китая проф. Huabing Wang, г. Нанкин. Комплексное исследование характеристик интегрального приемника на эффекте электронного разогрева проведены автором совместно с Р. В. Ожеговым (МПГУ).

Автор работы выражает огромную благодарность научному руководителю Кошельцу Валерию Павловичу за предоставленную возможность заниматься актуальной и интересной научной работой, решать нетривиальные задачи, а также за неоценимую помощь и поддержку как в проведении исследований, так и в написании данной работы. Хочется выразить отдельную благодарность коллеге из Нанкинского университета профессору Huabing Wang за предоставление образцов генератора и возможность провести поистине уникальные исследования, которых не было в мировой науке до настоящего момента. Автор также выражает признательность Ожегову Роману из Московского педагогического государственного университета за плодотворные беседы на тему современных сверхпроводниковых устройств и сотруднику Института космических исследований Нидерландов Leo de Jong за неиссякаемый энтузиазм, чувство юмора и неоценимую помощь в осуществлении ультразвуковой сварки.

Диссертант также благодарит всех сотрудников лаборатории 234 сверхпроводниковых устройств для приема и обработки информации ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН за совместную работу, плодотворные дискуссии на семинарах и поддержку.

Публикации автора по теме диссертации

А1]. Н. В. Кинев, В. П. Кошелец, «Сверхпроводниковый генератор гетеродина для интегрального приёмника субММ диапазона», Нелинейный мир, №6, т.7, стр. 475-477,2009.

А2]. Н. В. Кинев, В. П. Кошелец, П.Н. Дмитриев, «Разработка и исследование микросхемы интегрального приёмника миллиметровых волн на основе джозефсоновских туннельных структур», Нелинейный мир, №2, т.8, стр. 130-131,2010.

A3]. Gert de Lange, Dick Boersma, Johannes Dercksen, Pavel Dmitriev, Andrey B. Ermakov, Lyudmila V. Filippenko, Hans Golstein, Ruud W.M. Hoogeveen, Leo de Jong, Andrey V. Khudchenko, Nickolav V. Kinev. Oleg S. Kiselev, Bart van Kuik, Arno de Lange, Joris van Rantwijk, Alexander S. Sobolev, Mikhail Yu. Torgashin, Ed de Vries, Pavel A. Yagoubov, and Valery P. Koshelets, "Development and Characterization of the Superconducting Integrated Receiver Channel of the TELIS Atmospheric Sounder", Supercond. Sei. Technol. vol. 23, No 4, 045016 (8pp), 2010.

A4]. Дмитриев П.Н., Ермаков А.Б., Кинев H.B., Киселев О.С., Кошелец В.П., Соболев A.C., Торгашин М.Ю., Филиппенко JI.B., Худченко A.B., Arno de Lange, Gert de Lange, Pavel A. Yagoubov, «Сверхпроводниковый интегральный приёмник субмиллиметрового диапазона», Успехи современной радиоэлектроники. Зарубежная радиоэлектроника. №5, стр. 75-81,2010.

А5]. R.V. Ozhegov, K.N. Gorshkov, G.N. Gol'tsman, N.V. Kinev. V.P. Koshelets, «The stability of a terahertz receiver based on a superconducting integrated receiver», Supercond. Sei. Technol. vol. 24, 035003 (4pp), 2011.

А6]. Valery P Koshelets, Manfred Birk, Dick Boersma, Johannes Dercksen, Pavel Dmitriev, Andrey В Ermakov, Lyudmila V Filippenko, Hans Golstein, Ruud W M Hoogeveen, Leo de Jong, Andrey V Khudchenko, Nickolav V Kinev. Oleg S Kiselev, Pavel V Kudryashov, Bart van Kuik, Arno de Lange, Gert de Lange, Irina L Lapitsky, Sergey I Pripolzin, Joris van Rantwijk, Avri M Selig, Alexander S Sobolev, Mikhail Yu Torgashin, Vladimir L Vaks, Ed de Vries, Georg Wagner, Pavel A Yagoubov, "Integrated Submm Wave Receiver: Development and Applications", - Chapter in the book "Nanoscience Frontiers - Fundamentals of Superconducting Electronics", Springer Serie: Nanoscience and Technology35372, pp. 263-296, Editor: Anatolie Sidorenko, 2011.

129

А7]. Н. В. Кинев. В. П. Кошелец, "Режимы работы и ширина линии излучения сверхпроводникового генератора гетеродина", Нелинейный мир, №2, т.9, стр. 109-111,2011.

А8]. О. Kiselev, М. Birk, A. Ermakov, L. Filippenko, Н. Golstein, R. Hoogeveen, N. Kinev. В. van Kuik, A. de Lange, G. de Lange, P. Yagoubov, and V. Koshelets, "Balloon-Borne Superconducting Integrated Receiver for Atmospheric Research", "IEEE Trans, on Appl. Supercond.", vol. 21, № 3, pp. 612-615, 2011.

А9]. Mengyue Li, Jie Yuan, Nickolav Kinev. Jun Li, Boris Gross, Stefan Guenon, Akira Ishii, Kazuto Hirata, Takeshi Hatano, Dieter Koelle, Reinhold Kleiner, Valery P. Koshelets, Huabing Wang, Peiheng Wu, «Linewidth dependence of coherent terahertz emission from Bi2Sr2CaCu208+<5 intrinsic Josephson junction stacks in the hot-spot regime», Phys. Rev. В 86, 060505(R), 2012.

ГА101.Кинев H.B., Кошелец В.П., Филиппенко JI.B., Ожегов Р.В., Горшков К.Н., Гольцман Г.Н., Селезнев В.А., "Сверхпроводниковый интегральный приемник со смесителем на эффекте электронного разогрева", Радиотехника, том 1.2013.

A111.Н.В. Кинев, В.П. Кошелец, "Процессы тепловыделения в криогенной системе и их влияние на функционирование сверхпровдникового интегрального приемника", ЖТФ, том 83, вып. 3, стр. 123-131, 2013.

A12].Valery P. Koshelets, Andrey В. Ermakov, Pavel N. Dmitriev, Lyudmila V. Filippenko, Andrey V. Khudchenko, Nickolav V. Kinev. Oleg S. Kiselev, Alexander S. Sobolev, Mikhail Yu. Torgashin, "Phase-locked Local Oscillator for Superconducting Integrated Receiver", presented at the 19th International Symposium on Space Terahertz Technology (ISSTT-08), Groningen, the Netherlands, April 2008, report 7-5; published in the Proceedings of the ISSTT-08.

ГА131.Nickolav Kinev, Valery Koshelets, "Development of integrated receiver for radio astronomy", The 10-th Workshop on Submm-Wave Receiver Technologies in Eastern Asia, Wu-Xi, China, November 15-18,2009.

А14].В.П. Кошелец, O.C. Киселев, H.B. Кинев, М.Ю. Торгашин, A.B. Худченко, В.Л. Вакс, С.И. Приползин, «Сверхпроводниковый интегральный спектрометр для неинвазивной медицинской диагностики», Труды III Евразийского конгресса по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика-2010», том 4, стр. 157-159,2010.

A15].Valery P. Koshelets, Pavel N. Dmitriev, Andrey B. Ermakov, Lyudmila V. Filippenko, Andrey V. Khudchenko, Nickolav V. Kinev. Pavel Kudryashov, Oleg S. Kiselev, Mikhail Yu. Torgashin, Leo de Jong, Pavel A Yagoubov, Gert de Lange, «Superconducting Integrated THz Receiver». Conference Guide 35th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, IRMMW-THz 2010. Rome, 2010. C. 5612575.

A16].Valeiy P. Koshelets Andrey B. Ermakov, Lyudmila V. Filippenko, Nickolav V. Kinev. Oleg S. Kiselev, Mikhail Yu Torgashin, Arno de Lange, Gert de Lange, Sergey I Pripolzin, and Vladimir L Vaks, "Superconducting integrated THz receivers: development and applications". Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering Infrared, Millimeter Wave, and Terahertz Technologies. Volume: 7854, Article number 78540J. Beijing, 2010.

A 17] .Н.В.Кинев, В.П.Кошелец, П.Н. Дмитриев, «Сверхпроводниковый генератор гетеродина субмм диапазона волн: режимы работы и ширина линии излучения», доклад на 2-ой Международной научной конференции «Прикладная сверхпроводимость - 2011», Москва, 4 марта 2011.

А18].В.П. Кошелец, П.Н.Дмитриев, А.Б. Ермаков, К.В.Калашников, О.С. Киселев, Н.В. Кинев, Ю.С. Токпанов, М.Ю. Торгашин, JI.B. Филиппенко, А.В. Худченко, B.JI. Вакс, С.И. Приползин, «Сверхпроводниковые интегральные приемники ТГц диапазона: разработка и применения», Труды XV международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, стр. 11-14,2011.

A19J.H.B. Wang, M.Y. Li, J.Yuan, N. Kinev. J.Li, В. Gross, S.Guenonz, A.Ishii, T.Hatano, D.Koelle, R.Kleiner, V.P. Koshelets, P.H. Wu, «А Tunable 350-780 GHz CW Solid State Oscillator of Intrinsic Josephson Junctions in a high-Tc Superconductor», Abstract for 37th IRMMW-THz, Wollongong, Australia. 2328 Sept., 2012.

A20].V.P. Koshelets, V.B. Borisov , P.N. Dmitriev, A.B. Ermakov, L.V .Filippenko, N.V. Kinev, A.V. Khudchenko, O.S. Kiselev, A.S. Sobolev, M.Yu. Torgashin, P.A. Yagoubov, G. de Lange, W. Wild, R.W.M Hoogeveen, "Development of the Superconducting Integrated Spectrometer for TELIS", Joint International Workshop "A new generation of ultra-sensitive detectors for dark energy and cosmology experiments", Bjorkliden, Kiruna, Sweden, March 30 -April 6,2008.

A21J.V.P. Koshelets, A.B. Ermakov, L.V. Filippenko, A.V. Khudchenko, N.V. Kinev. O.S. Kiselev, A.S. Sobolev, M.Y. Torgashin, G. de Lange,

P.A. Yagoubov, R.W.M. Hoogeveen, W. Wild, «Development and Characterization of the Superconducting Integrated Spectrometer for TELIS», Abstract for the Applied Superconductivity Conference ASC-2008. Chicago, USA, August 2008, invited report 3EPE03.

A22].V.P. Koshelets, A.B. Ermakov, P.N. Dmitriev, L.V. Filippenko, A.V. Khudchenko, N.V. Kinev. O.S. Kiselev, A.S. Sobolev, M.Yu. Torgashin, P.A. Yagoubov, R.W.M. Hoogeveen, and W. Wild, "Superconducting Integrated Submm Wave Receiver" submitted to the Frontiers of Josephson Physics and Nanoscience (FJPN07), 7th International AQDJJ conference, Italy, September 2007.

A23].V.P. Koshelets, P.N. Dmitriev, A.B. Ermakov, L.V. Filippenko, A.V. Khudchenko, N.V. Kinev. O.S. Kiselev, A.S. Sobolev, M.Yu. Torgashin, "On-board Integrated submm spectrometer for atmosphere monitoring and radio astronomy", ISTC Thematic Workshop "Perspective materials, devices and structures for space applications", May 26-28, 2009, Yerevan, Armenia.

A24].V.P. Koshelets, P.N. Dmitriev, A.B. Ermakov, L.V. Filippenko, A.V. Khudchenko, N.V. Kinev. O.S. Kiselev, A.S. Sobolev, M.Yu. Torgashin, "Superconducting Integrated Receiver", presented at the International Conference on Superconductive Electronics "EuroFlux-2009: from devices to circuits and systems", Avignon, France, September 20-23,2009.

А25].Vladimir L. Vaks, Vladimir Yu. Balakirev, Alexander N. Panin, Sergey I. Pripolzin, Valery P. Koshelets, Oleg S. Kiselev and Nikolav V. Kinev. «The 500-700 GHz Spectrometer with Superconductive Integrated Receiver». Proceedings of 36th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves. IRMMW-THz 2011, October 2-7, 2011, Hyatt Regency Houston, Houston, Texas, USA, F2B.4.1.

А26].В.П. Кошелец, А.Б. Ермаков, K.B. Калашников, О.С. Киселев, Н.В. Кинев. А.А. Мухортова, Ю.С. Токпанов, М.Ю. Торгашин, JI.B. Филиппенко, «Сверхпроводниковые интегральные приемника терагерцового диапазона», доклад на 1-ой Национальной конференции по прикладной сверхпроводимости (НКПС-1), 6-8 декабря 2011, Москва.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Кинев, Николай Вадимович, Москва

1. S. Cherednichenko, М. Kroug, Н. Merkel, P. Khosropanah, A Adam, EKollberg, DLoudkov, GGol'tsman, BVoronov, HRichter, HHuebers. 1.6 THz heterodyne receiver for the far infrared space telescope. // Physica C., v. 372-376, parti, pp. 427-431.

2. K. Suto and J. Nishizawa. Widely Frequency-Tunable Terahertz Wave Generation and Spectroscopic Application // International Journal of Infrared and Millimeter Waves, 26 (7), p. 937-952., 2005.

3. P.H. Siegel. THz Applications for Outer and Inner Space. // 7th International Zurich Symposium on Electromagnetic Compatibility, pp. 1-4,2006.

4. Проект SMA Submillimeter Array. // Сайт в сети Интернет -http://www.cfa.harvard.edu/sma/. 2011.

5. Проект SOFIA Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy. // Сайт в сети Интернет - http://www.sofia.usra.edu/. 2011.

6. Проект HERSCHEL. // Сайт в сети Интернет -http://www.esa.int/science/herschel. 2011.

7. B.M. Fischer, M. Walther, P Uhd Epsen. Far-infrared vibrational modes of DNA components studied by terahertz time-domain spectroscopy. // Physics in Medicine and Biology, 47 (21), p. 3807-3814,2002.

8. John F Federici, Brian Schulkin, Feng Huang, Dale Gary, Robert Barat, Filipe Oliveira and David Zimdars. // THz imaging and sensing for security applications—explosives, weapons and drugs, Semiconductor. Science and Technology, v. 20, S266-S280, 2005.

9. P.H. Siegel. Terahertz technology in biology and medicine. // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Volume: 52, Issue: 10, pp. 2438- 2447,2004.

10. А.Б. Зорин. Предельная чувствительность СВЧ-смесителей на основе сверхпроводниковых переходов. / Зорин А.Б., Лихарев К.К // Радиотехника и электроника, вып. 6, с. 1200-1204,1985.

11. Zorin A.B. Quantum Noise in SIS Mixers. / Zorin A.B. // IEEE Trans Magn., v. 21., p. 939-942, 1985.

12. Tucker J.R. Quantum detection at millimeter wavelengths. / Tucker J.R., Feldman M.J. // Rev. Mod. Phys., v. 4, pp. 1055-1113, 1985.

13. Uzawa Y. Performance of all-NbN quasi-optical SIS mixers for the terahertz band. / Uzawa Y., Wang Z., Kawakami A., Miki S. // Proc. 12 Int. Symp. Space Terahertz Technol. San Diego, USA. - Feb., 2001

14. Karpov A., Blondell J., Voss M., Gundlach K.H., Four photons sensitivity heterodyne detection of submillimeter radiation with superconducting tunnel junctions, IEEE Trans on Appl. Superconductivity., v. 5, No 2., pp. 3304-3307, 1995.

15. J. Zmuidzinas Quasi-optical slot antenna SIS mixers, J. Zmuidzinas, and H. G. LeDuc, IEEE Trans, on Microwave Theory and Tech., v. 40., pp. 1797-1804, 1992.

16. J. Zmuidzinas Low-noise slot antenna SIS mixers, J. Zmuidzinas, N. G. Ugras, D. Miller, M. Gaidis, H. G. LeDuc, J. A. Stern, IEEE Trans, on Appl. Superconductivity., v. 5, No. 2., p. 3053,1995.

17. A. D. Semenov, H.-W. Hubers, J. Schubert, G. N. Gol'tsman, A. I. Elantiev, В. M. Voronov, E. M. Gershenzon. Design and performance of the lattice-cooled hot-electron terahertz mixer. // J. Appl. Phys. 88, 6758 (2000).

18. M. Hajenius, J. J. Baselmans, A. Baryshev, J. R. Gao, Т. M. Klapwijk, J. W. Kooi, W. Jellema, Z. Q. Yang. Full characterization and analysis of a terahertz heterodyne receiver based on a NbN hot electron bolometer. // J. Appl. Phys. 100, 074507 (2006).

19. M. Тарасов, M. Фоминский, А. Калабухов, JI. Кузьмин. Экспериментальное исследование болометра на горячих электронах в нормальном металле с емкостной связью. Письма в ЖЭТФ, том 76, вып. 8, с. 588-591. 2002.

20. J.W. Kooi. Advanced Receivers for Submillimeter and Far Infrared Astronomy. PhD thesis. The Netherlands, Enschede: PrintPartners Ipskamp B.V. 2008. 340 p.

21. M.A. Тарасов, JI.C. Кузьмин, М.Ю. Фоминский, И.Е. Агуло, А.С. Калабухов. Электронное охлаждение в болометре на горячих электронах в нормальном металле. // Письма в ЖЭТФ, т. 78, вып. 22, с. 1228-1231. 2003.

22. Kuzmin L. On the concept of a hot-electron microbolometer with capacitive coupling to the antenna. // Physica B: Condensed Matter. Vols. 284-288, 2, pp. 2129-2130. 2000.

23. A.B. Соколов, E.B. Сухонин. Ослабление миллиметровых волн в толще атмосферы. // Итоги науки и техники. Сер.Радиотенхника, т.20, 1980.

24. Т. Nagatsuma, К. Enpuku, F. Iri, К. Yoshida. // J. Appl. Phys. 1983. Vol. 54. P. 3302.

25. T. Nagatsuma, K. Enpuku, F. Iri, K. Yoshida. // J. Appl. Phys. 1984. Vol. 56. P. 3384.

26. V.P. Koshelets, S.V. Shitov, A.M. Baryshev, I.L. Lapytskaya, L.V. Filippenko, H. van de Stadt, J. Mess, H. Schaeffer and T. de Graauw T. // IEEE Trans. Appl. Supercond. 1995. Vol. 5. P. 3057.

27. V.P. Koshelets, S.V. Shitov, L.V. Filippenko, A.M. Baryshev, H. Golstein, Т. de Graauw, W. Luinge, H. Schaeffer, H. van de Stadt. // Appl. Phys. Lett. 1996. Vol. 68. P. 1273-1275.

28. V.P. Koshelets, S.V. Shitov. // Supercond. Sei. Technol. 2000. Vol. 13. P. R53-R59.

29. R. Kleiner, F. Steinmeyer, G. Kunkel, and P. Muller. Intrinsic Josephson Effects in Bi2Sr2CaCu208+s Single Crystals. // Physical Review Letters, vol.68, № 15, 1992.

30. L.Ozyuzer, A.E. Koshelev, C.Kurter, N.Gopalsami, Q.Li, M.Tachiki, K.Kadowaki, T.Yamamoto, H. Minami, H.Yamaguchi, T.Tachiki, K.E. Gray, W.-K. Kwok, U.Welp. Emission of Coherent THz Radiation from Superconductors. // Science 318, 1291 (2007).

31. L.N. Bulaevskiil and A.E. Koshelev. Radiation due to Josephson Oscillations in Layered Superconductors. // Phys. Rev. Lett. 99, 057002 (2007).

32. Лихарев К. К. Введение в динамику джозефсоновских переходов. М.: Наука. 1985. 320 с.

33. V.P. Koshelets, A.B. Ermakov, P.N. Dmitriev, A.S. Sobolev, A.M. Baryshev, P.R. Wesselius, J. Mygind. Radiation linewidth of flux flow oscillators. // Superconducting Science and Technology, 14,1040-1043 (2001).

34. A.B. Ermakov. A data acquisition system for test and control of superconducting integrated receivers / A.B. Ermakov, S.V. Shitov , A.M. Baryshev, V.P. Koshelets, W. Luinge // IEEE Trans, on Appl. Supercond. v.l 1, No l,pp. 840-843,2011.

35. B.D. Josephson. //Phys. Lett. 1,251 (1962).

36. Anderson P.W., Rowell J.M. // Phys. Rev. Lett. 1963. Vol. 10. P. 230.

37. Yongming Zhang. Theoretical and experimental studies od the flux-flow type Josephson oscillator //Ph.D.-thesis, Chalmers University of Technology, 1991.

38. T. Van Duzer and C.W. Turner. Principles of Superconductive Devices and Circuits / T. Van Duzer and C.W. Turner // Elsevier North Holland. Second Edition. 1999.

39. M.Yu. Torgashin, V.P. Koshelets, P.N. Dmitriev, A.B. Ermakov, L.V.Filippenko, and P.A. Yagoubov. Superconducting Integrated Receivers based on Nb-AlN-NbN circuits. // IEEE Trans, on Appl. Supercond., vol. 17, pp. 379- 382,2007.

40. V.P. Koshelets, S.V. Shitov, A.V. Shchukin, L.V. Filippenko, J. Mygind, A.V. Ustinov. Self-Pumping Effects and Radiation Linewidth of Josephson Flux Flow Oscillators // Phys.Rev.B. vol.56, pp.5572-5577. 1997.

41. N. R. Werthamer // Phys. Rev. 147. p.255. 1966.

42. L.-E. Hasselberg, M. T. Levinsen, and M. R. Samuelsen. // Phys.Rev.B. v.9, p.3757.1974.

43. A.M. Baryshev. Superconductor-Insulator-Superconductor THz Mixer Integrated with a Superconducting Flux-Flow Oscillator // Ph.D. thesis. TU Delft. 2005.

44. А.Бароне, Дж.Патерно. Эффект Джозефсона. Москва, "Мир", 1984.

45. Marek Jaworski. Analytical description of the flux-flow mode in a long Josephson junction. //Phys.Rev.B. v.60 (10). 1999.

46. Marek Jaworski. Flux-flow mode in the sine-Gordon system. // Physics Letters A. v.244. pp.97-102. 1998.

47. D.E. Oates, A.C. Anderson, C.C. Chin, J.S. Derov, G. Dresselhaus, and M.S. Dresselhaus. Surface-impedance measurements of superconducting NbN films. // Phys. Rev. В 43, 7655,1991.

48. NbN tunnel junctions. J.C. Villegier, L.Vieux-Rochaz, M. Goniche, P. Renard, M. Vabre. // IEEE Trans, on Magn. MAG-21,498. 1985.

49. J. Mygind, V. P. Koshelets, M. R. Samuelsen, and A. S. Sobolev. The Submm Wave Josephson Flux Flow Oscillator; Linewidth Measurements and Simple Theory. // IEEE Trans, on Appl. Supercond., vol. 15, pp. 968-971, 2005.

50. A.L. Pankratov, A.S. Sobolev, V.P. Koshelets, and J. Mygind. Influence of surface losses and the self-pumping effect on current-voltage characteristics of a long Josephson junction. // Physical Review B, 75,184516, 2007.

51. Gregory S. Lee and Andrew T. Barfknecht. Geometric and material dispersion in Josephson transmission lines. // IEEE Trans, on Appl. Supercond., vol. 2, no. 2, pp. 67-72. 1992.

52. В.В.Шмидт. Введение в физику сверхпроводников. МЦНМО, 2000.

53. Maslennikov S. N., Finkel М. I., Antipov S. V. // Proc. 17-th ISSTT. 2006. P. 177-179.

54. S.A. Ryabchun, I.V. Tretyakov, M.I. Finkel, S.N. Maslennikov, N.S. Kaurova, V.A. Seleznev, B.M. Voronov, G.N. Goltsman // Proc. 19th ISSTT. P. 62-67. 2008.

55. S.A. Ryabchun, I.V. Tretyakov, I.V. Pentin, N.S. Kaurova, V.A. Seleznev, B.M. Voronov, M.I. Finkel, S.N. Maslennikov, G. N. Gol'tsman // Journal Radiophysics and Quantum Electronics. 2009. Vol.52. № 8. P. 576-582.

56. S.A. Ryabchun, I.V. Tretyakov, M.I. Finkel, S.N. Maslennikov, N.S. Kaurova, V.A. Seleznev, B.M. Voronov, G.N. Gol'tsman // Proc. 20th ISSTT. 2009. P. 151-154.

57. Третьяков И.В., Рябчун C.A., Каурова H.C., Ларионов П.А., Лобастова А.А., Воронов Б.М., Финкель М.И., Гольцман Г.Н. // ПЖТФ. 2010. Т. 36. №23. С. 78-84.

58. I. Tretyakov, S. Ryabchun, М. Finkel, A. Maslennikova, N. Kaurova, А. Lobastova, В. Voronov, G. Gol'tsman // Appl. Phys. Lett. Vol. 98 P. 033507. 2011.

59. V.P. Koshelets, S.V. Shitov, L.V. Filippenko, V.L. Vaks, J. Mygind, A.B. Baryshev, W. Luinge, N. Whyborn. // Rev. of Sci. Instr. Vol. 71. № 1. P. 289293. 2000.

60. V.P. Koshelets, P.N. Dmitriev, A.B. Ermakov, A.S. Sobolev, M.Yu. Torgashin, V.V. Kurin, A.L. Pankratov, J. Mygind. // IEEE Trans, on Appl. Supercond. Vol. 15. P. 964-967. 2005.

61. K.B. Калашников, A.B. Худченко, A.M. Барышев, В.П. Кошелец. // Радиотехника и Электроника. Т. 56. № 6. С. 751-759. 2011.

62. R. Kleiner. Science 318, 1254. 2007.

63. A. Yurgens. Temperature distribution in a large Bi2Sr2CaCu208+5 mesa. // Phys. Rev. B 83, 184501. 2011.