Развитие методов микроволновой спектроскопии в терагерцовой области частот тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Р Г Б ОД

- 2 ОКТ 1995

На правах рукописи

ТРЕТЬЯКОВ Михаил Юрьевич

развитие методов микроволновой спектроскопии в терагерцовой области частот

01.04.03 — радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород — 1995

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН, г. Н. Новгород.

Научный руководитель: профессор,

доктор физико-математических наук А.Ф. Крупнов

Официальные оппоненты: член-корреспондент РАН,

доктор физико-математических наук B.C. Троицкий,

доктор физико-математических наук О.П. Павловский.

Ведущая организация: Институт спектроскопии РАН

(г. Троицк, Моск. обл.)

Защита состоится " 1995 г. в .')>. час. на заседании дис-

сертационного совета К 063.77.03 по радиофизике в Нижегородском ордена Трудового Красного Знамени государственном университете им. Н.И. Лобачевского. (603600, г. Нижний Новгород ГСП-20, пр. Гагарина 23, корп.4).

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Нижегородского государственного университета.

Автореферат разослан 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат

физико-математических наук, доцент

В.В. Черепенников

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

Дальнейшее совершенствование спектроскопической техники открывает новые возможности п исследовании спектров молекул. Распространение методов микроволновой спектроскопии на все более коротковолновую часть частотного диапазона представляет одно из основных направлении ее развития. Субмиллиметровый диапазон является областью вращательных спектров молекул, имеющих принципиальное значение для понимания динамнки молекул, межмолекулярного п внутримолекулярного взаимодействия. Исследования спектров молекул в суб-милиметровом диапазоне также представляют ннерес для радиоастрономии и физики плазмы. Однако, до сих пор, методы микроволновой спектроскопии позволяют уверенно работать лишь в низкочастотной части этой интереснейшей области спектров.

Традиционным путем продвижения в высокочастотную часть диапазона являлось умножение частоты источников излучения сантиметрового и миллиметрового диапазона на нелинейном элементе - обычно точечном полупроводниковом диоде, начатое В. Горди, продвинувшимся в 1954 г. в длинноволновую часть субмиллиметрового диапазона [1]. Разработка п создание в России серии первичных генераторов субмиллиметрового диапазона - ламп обратной волны (ЛОВ) типа [2] и их применение для микроволновой спектроскопии позволило в 1973 г. превзойти верхний частотный предел микроволновых исследований, достигнутых! с помощью генераторов гармоник и составлявший 813 ГГц [3], и достигнуть частоты 874 ГГц [4], В дальнейшем верхние частотные пределы продвинулись до 1100 ГГц при спектроскопии с субмил-ли.мегровыми ЛОВ (см. напр. [5]) и до 1030 ГГц при спектроскопии с умножением частоты миллиметровых источников излучения (см. напр. [б]) и оставались неизменными более десяти лет.

В настоящей работе описывается расширение диапазона микроволновой спектроскопии до 1500 ГГц путем умножения частоты излучения субмиллиметровой ЛОВ на высокочастотном диоде Шоттки. С учетом этого новейшего результата можно сказать, что значение верхнего предела частоты в микроволновой спектроскопии за последние полвека удваивалось примерно каждые двадцать лет. И, тем не менее, до сих пор исследования спектров молекул в диапазоне выше 500 ГГц требуют боьлыпих затрат времени и высокой квалификации, и доступны лишь нескольким лабораториям во всем мире. То есть, развитие экспериментальных методов микроволновой спектроскопии, ниже Терагерца и вблизи Терагерца по прежнему является весьма важной задачей для практической спектроскопии.

Целью настоящей работы являлось, как распространение экспериментальных методой микроволновой спектроскопии на базе источников когерентного излучения типа ламп обратной волны (ЛОВ) [2] на максимально высокие частоты, так и повышение чус.твительностн, точности и ншрокодиапазотшетн методов, а так же нвтоматицация эксперимента п перевод исследований спектров молекул в субмпллимс-тровом диапазоне в раприд массовых рутинных измерений.

Этим определялись ее основные направления:

• Рапвитие метода частотных измерении по известному опорному спектру при стабилизации частоты излучения субмиллиметровых ЛОВ по перестраиваемому резонатору Фабри - Перо до частот ~ 923 ГГц.

• Развитие традиционного для микроволновой спектроскопии метода исследования спектров с применением системы фазовой стабилизации частоты (ФАПЧ) излучения субмиллиметровых ЛОВ по опорному сигналу до частот ~ 973 ГГц.

• Умножение частоты излучения субмиллиметровых ЛОВ на нелинейном элементе и использование мощности получаемых гармоник для микроволновой спектроскопии до ~ 1,5 ТГц.

Научная новизна работы заключается в следующем:

в Впервые получено и применено для спектроскопии излучение на гармониках субмиплнметровой ЛОВ до частот ~1,5 ТГц. Умножение частоты излучения ЛОВ осуществлено на плоскостном диоде Шоттки.

• Впервые экспериментально обнаружен и применен для спектроскопии эффект собственной генерации гармоник в ЛОВ.

• Впервые осуществлены непрерывные шпрокодиапазонные записи спектров протяженностью в десятки гигагерц в режиме ФАПЧ ЛОВ в субмиллиметровом диапазоне длин волн.

Верхний частотный предел систем ФАПЧ излучения субмнллиме-тровых ЛОВ увеличен с 874 до 973 ГГц.

• Впервые в субмиллиметровом диапазоне длин волн продемонстрирована возможность широкодиапазонных спектроскопических исследований при управлении частотой излучения ЛОВ по перестраиваемому резонатору Фабри Перо и отсчете частоты по опорному спектру.

• Составлены уточненные таблицы спектральных линий молекулы БОг в субмиллиметровом диапазоне для использования этого спектра в качестве опорного при исследованиях.

Научная ценность и практическая значимость результатов

во многом определяется ее актуальностью. В результате работы созданы экспериментальные установки, превосходящие по пшрокодиала-зонности все существующие в настоящее время микроволновые спектрометры и позволяющие исследовать спектры молекул в ранее недоступном для микроволновой спектроскопии диапазоне частот.

Полученные результаты и разработанные методы представляют интерес как для широкого круга исследователей, специализирующихся в микроволновой спектроскопии высокого разрешения и ее приложений, в особенности в таких организациях, как ИС РАН и ИОФ РАН (г. Москва), ИХ РАН (г. Н. Новгород), ИОА СО АН и ТГУ (г. Томск), ИЛФ СО АН (г. Новосибирск), так п для разработчиков серийной высокочастотной радиоаппаратуры на базе ЛОВ в таких организациях, как ННИПИ "Кварц" (г. Н. Новгород), и НПО "Исток", (г. Фрязино Моск. обл.).

Защищаемые положения:

1. Впервые получено и использовано для спектроскопии излучение на гармониках субмиллиметровой ЛОВ до частоты 1,524 ТГц. Умножение частоты излучения ЛОВ осуществлено на плоскостном диоде Шоттки.

2. Разработан и создан бесподстроечный смеситель - умножитель, обеспечивающий без дополнительных настроек и изменений в конструкции необходимую для работы системы ФАПЧ величину сигнала биений между опорным излучением промышленного синтезатора частот 78-118 ГГц и стабилизируемым излучением ЛОВ с частотой от 1G0 до 1000 ГГц.

3. Обнаружен эффект самогснерации гармоник в ЛОВ и продемонстрировано использование зтого эффекта в спектроскопии.

4. Продемонстрирована возможность широкодиапазонных спектроскопических исследований при управлении частотой излучения субмиллиметровых ЛОВ по перестраиваемому резонатору Фабри -Перо вплоть до Терагерцового диапазона частот.

5. Создан атлас вращательного спектра молекулы SO2 в диапазоне частот от 0 до 1500 ГГц для использования этого спектра в качестве опорного при исследованиях.

Апробация результатов работы. Материалы диссертации докладывались на 7-ом и 8-ом Всесоюзных симпозиумах по молекулярной спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения в Томске, на 20-

ом Всесоюзном съезде по спектроскопии в Киеве, на 9-ой, 10-ой, 11-ой, 12-ой и 13-ой международных конференциях по молекулярной ИК спектроскопии высокого разрешения в Праге (Чехословакия) и Познань (Польша), на 1-ом Итальяно - Советском семинаре в Болонье, на 11-м и 13-м Европейских коллоквиумах по молекулярной спектроскопии высокого разрешения п IWcene (Германия) п Рпччноне (Италия), на '11-м, 47-м 49-м симпозиуме но молекулярной спектроскопии в Огайо (США), на симпозиуме п тн;еть 90-летня Г. Герцбсрга в Сан-Аделе (Квебек, Канада), а также на научных семинарах И11Ф РАН.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей в Российских и 10 в зарубежных журналах, а также 28 тезисов докладов в трудах Всесоюзных и международных конференций. Получено два авторских свидетельства.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем работы - 89 страниц, рисунков 30, таблиц 7, библиография 81 наименование.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы и формулируются се цели. Кратко излагается содержание диссертации.

В первой главе диссертации рассматривается использование стабилизации частоты излучения ЛОВ по перестраиваемому резонатору Фабри - Перо и отсчета частоты по,линиям опорного спектра для решения задач микроволновой спектроскопии в терагерцовой области частот.

В параграфе 1.1 приводится состав п принцип действия разработанного и созданного спектрометра (''РАД-3"), использующего такой метод. Блок-схема спектрометра приведена на рис. 1.

Рассматриваются основные спектроскопические параметры спектрометра:

• Приводится анализ стабильности излучения и точности измерения частоты, достигаемой в таком спектрометре. Приводятся результаты калибровки точности отсчета частоты по стабильному излучению субмиллиметрового синтезатора частоты и по спектральным линиям газов. Показано, что достигается среднеквадратичная точность измерения порядка ЗСО кГц, что в относительных единицах составляет ~1()_6.

5ивм1шметея мгсис№ауе 1шэ-3 бресткометел

м

Рисунок 1. Схема спектрометра с управлением частотой излучения источника по перестраиваемому резонатору Фабри - Перо.

Рисунок 2. Схема субмиллиметрового синтезатора частоты на основе ЛОВ и промышленного синтезатора миллиметрового диапазона.

• Анализируется разрешающая способность. Приводятся результаты измерения ширины спектра излучения ЛОВ в таком спектрометре. Показано, что достигается допплеровская разрешающая сила.

• Рассматривается частотный диапазон спектрометра. Демонстрируется возможность широкодиапазонных исследований спектров на частотах до 400 ГГц с помощью разработанного бесподстро-счного СВЧ приемника для приема сигнала резонатора Фабри -Перо на основе СаАк диода типа [7] с барьером Шоттки.

В параграфе 1,2 приводится описание особенностей работы спектрометра РАД 3 в терагерцовой области частот. В этом диапазоне в качестве СВЧ детектора для приема сигнала резонатора использовался промышленный оптоакустический приемник ОАП-7 и применялось осушение объема резонатора Фабри - Перо для уменьшения влияния поглощения СВЧ излучения в атмосферных парах воды. В качестве демонстрации, приводятся результаты исследования спектра молекулы воды в диапазоне 840 925 ГГц. Измерено пятнадцать спектральных линий, что значительно расширило известные микроволновые данные по спектру этой молекулы и позволило существенно уточнить наборы вращательных и центробежных параметров для молекулы воды, что привело к повышению примерно на четыре порядка точности предсказания энергетических уровней с квантовыми числами Л от 18 до 20.

В параграфе 1.3 обсуждаются вопросы выбора конкретного опорного спектра для РАД-3 и рассказывается об исследовании спектра молекулы БОг, выполненного с целью создания современных уточненных таблиц вращательного спектра этой молекулы во всем субмиллиметровом диапазоне, для использования его в качестве опорного при исследованиях. Описывается процедура расчета частот и интенсивностей спектральных линий. Приводятся уточненные значения вращательных и центробежных констант этой молекулы и сравнение рассчитанного спектра со спектром, полученным в ходе эксперимента.

Вторая глава посвящена развитию в терагерцовой области частот традиционного для молекулярной спектроскопии метода йсследования спектров с помощью обеспечиваемого системой фазовой автоподстройки по низкочастотному опорному источнику цифрового управления частотой излучения субмиллиметровых ламп обратной волны.

В параграфе 2.1 представлено описание современного подхода к созданию субмиллиметрового синтезатора частоты на базе промышленного, синтезатора трехмиллиметрового диапазона типа [8]. Рассматривается блок-схема (см. рис, 2) и основные компоненты нового, созданного в ходе работы, субмиллнметрового синтезатора частоты:

• Разработанный и созданный в рамках работы широкодиапазонный боспод!-троечный смеситель умнолштсль на основе плоскостного высокочастотного диода Шоттки типа [7] с граничной частотой 3-8 ТГц.

• Л'сцлич'сли гшчпьпа (шспип на. промежуточной частоте с предварительным усилителем на базе свсрхмалошумнщего транзистора типа. Г1ЕМТ МСР 1305Л [<)] и промышленных усилителей УТР типа М42136 ("Олимппк').

• Фазовый синхронизатор частоты излучения ЛОВ.

Примененпе созданного синтезатора в молекулярной спектроскопии описано в параграфе 2.3. Приводятся записи спектра молекулы ОББО, демонстрирующие непрерывное широкодиапазонноо сканирование частоты ЛОВ в режиме ФАПЧ в диапазонах около 480 и 620 ГГц и запись линии молекулы НгЭ, демонстрирующая работу спектрометра на частотах вблизи терагерца.

В третьей главе рассматриваются методы расширения диапазона микроволновой спсйтроскошш за пределы границ, определяемых диапазоном частоты существующих ламп обратной волны, с помощью умножения частоты их излучения.

В параграфе 3.1 приведено описание умножителя частоты ¿убмиллн-метрового диапазона, созданного в рамках этой работы на базе высокочастотного плоскостного диода Шоттки типа [7]. Рассматриваются общие принципы умножения частоты излучения и специфические особенности, возникающие при умножении частоты излучения субмиллиметровых ЛОВ. Описывается конструкция умножителя.

В параграфе 3.2 сообщается об обнаруженном эффекте генерации гармоник самой лампой обратной волны и рассматриваются способы применения этого эффекта в микроволновой спектроскопии. Наблюдаемый эффект можно объяснить тем, что, по-видимому, группировка электронного пучка в ЛОВ была достаточно эффективной для индуцирования гармоник при пролете над замедляющей системой и некоторая часть мощности гармоник вместе с мощностью на основной частоте излучалась лампой. ^

Обсуждается блок - схема экспериментов по умножению частоты излучения субмиллиметровых ЛОВ. Отмечается особенность применяемого акустического приемника сигнала от спектральных линий газов селектировать гармоники излучения ЛОВ. То есть фундаментальная частота излучения с мощностью в десятки и сотни милливат не является помехой для регистрации даже ничтожно малой мощности гармоник порядка единиц нановатт.

В параграфе 3.3 демонстрируется применение созданного субмиллиметрового умножителя частоты и расширение диапазона микроволновой спектроскопии до 1,5 терагерц на примере наблюдения вращательных спектральных линий молекулы SO2.

Приводится таблица линий, наблюденных на гармониках излучения ЛОВ и примеры записи спектральных линий на второй, третьей, четвертой и пятой гармониках (см. Рис. 3 ) . Обсуждаются пути дальнейшего продвижения на высокие частоты.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

1. Достигнуто расширение диапазона микроволновой спектроскопии до частоты 1.52 ТГц путем умножения частоты лампы обратной волны, работающей в диапазоне 300 ГГц, вплоть до 5-ой гармоники. В умножителе частоты использовался планарный диод Шот-тки. Для приема сигнала на гармониках использовалась спектроскопическая ячейка с акустическим детектором . Спектральные линии молекулы SO2 наблюдались и были измерены в диапазоне 541-1524 ГГц на второй, третьей, четвертой и пятой гармониках основной частоты излучения лампы обратной волны. Указаны пути дальнейшего расширения частотного диапазона микроволновой спектроскопии.

« 2. Создан прецизионный сканирующий микроволновой спектрометр в диапазоне 240 1000 ГГц на основе источника излучения в виде лампы обратной волны с широкополосной фазовой автоподстройкой частоты по сигналу промышленного синтезатора частот в диапазоне 78-118 ГГц п болометра, охлаждаемого жидким гелием, в качестве приемника. Спектрометр превосходит все существующие микроволновые спектрометры по широкодиаиазонности и чувствительности. На спектрометре проведены исследования субмиллиметровых спектров молекул HSSH, НООН, SO2 и других в терагер-цовой области частот.

3. Продемонстрирована возможность широкодиапазонных спектроскопических исследований при управлении частотой излучения субмиллиметровых ЛОВ по перестраиваемому резонатору Фабри -Перо вплоть до Терагерцового диапазона частот.

4. Впервые проведены спектроскопические измерения на гармониках, генерируемых собственно субмиллиметровой лампой обратной волны. Спектральные линии были наблюдены на второй и третьей гармониках в диапазоне до 600 ГГц, с использованием в качестве приемника акустической ячейки. Указаны пути продвижения та-

304 830 304 860

Рисунок 3. Запись линии БОг , наблюдавшейся на 5-ой гармонике излучения ЛОВ на наивысшей для микроволновой спектроскопии в настоящее время частоте 1 524 236,16 МГц.

ких спектроскопичес ких измерении в диапазон более высоких частот.

5. Проведено исследование спектра молекулы S02 в диапазоне частот 180 380 ГГц с помощью спектрометра РАД и субмиллиметрового синтезатора частот. Получены новые пкспериментальные данные по двум изотопическим комбинациям л шюколежащих колебательных состояниях, уточнены значения вращательных п центробежных констант, полученных и-результате обработки новых данных совместно со всеми известными ранее. Рассчитаны частоты всех спектральных линий с пиковой интенсивностью больше Ш~7см"' в диапазоне частот 0 1500ГГц, которые включены в единую таблицу вращательного спектра молекулы SO^ для дальнейшего использования в качестве опорного при широкодиапазонных субмиллиметровых частотных измерениях.

Литература

[1] С.A. Bnrnis, W. Gordy. Phys. Rev., 93, 1954. - P. 897.

[2] M.Б. Голант, Р.Л. Внленкнн, Е.А. Зюлпнан др., Приборы и техника эксперимента,1959. - Т.4. С. 13G.

М.Б. Голант, З.Т. Алексеенко, З.С. Короткова и др., Приборы и техника эксперимента, 19G9. Т.З. С. 231.

[3] Р. Hehninger, F.C. De Lucia, W. Gordy, Phys. Rev. Lett, - 1970. - N 25. - P. 1397.

[4] С.П. Белов, A.B. Буренин, Л.И. Герштейн В.П. Казаков, E.H. Каря-кин, А.Ф. Крупнов. Микроволновая газовая спектроскопия в диапазоне 200 - 870 ГГц. Письма о ЖЭТФ. 1973. N18. С. 285.

[5] А.Ф. Крупнов. Субмиллиметровая микроволновая спектроскопия газов. Всстник АН СССР. - 1978. Т.7. С. 18.

[6] W. Gordy, R.L. Cook. Microwave Molecular Spectra, Int.erscience (Wiley), N.Y. 1984.

[7] Государственный стандарт СССР. Диоды полупроводниковые СВЧ ГОСТ 1965G.0-74 ГОСТ 1965G. 8-74.

[8] A.F. Krupnov, O.P. Pavlovsky. Commercial Frequency Sythesizer of 118 178 GHz Range, hit. J опт. of Infrared and Millimeter Waves. 1994. V. 15. N. 10.' P. Mil 1G24.

[9] F. Lewen.

Mixer-Diode Matching Unit. HEMT Super Low Noise Preamplifier. Technischer Bericht 1. Physikalisches Institut der Universitaet Kolen. - Jaiiuar 1994. 8 p.

[10] Yn.I. Alckhiu, G.M. Altshuller, O.L. Pavlovsky, E.N. Karyakiu, A.F. Krupnov, D.G. Paveliev and A.P. Slikaev. Frequency Synthesizers up to 370 GHz. Int. J. of Infrared and Millimeter Waves. - 1990. - V. 11.

N. 8. - P. 9G1 971.

Наиболее важные публикации по теме диссертации:

[11] S.P. Bclov, M.Yu. Tretyakov and R.D. Suenram. Improved Laboratory Rest Frequency Measurements and Pressure Shift and Broadening Parameters for the J=2-l and J=3-2 Rotational transitions of Carbon Monoxide // The Astrophysics! Journal. - 1992. - V.393. - N 2. - P. 848 851.

[12] Авт. свид. СССР, МКИ3 В 25 J 16/13 Микроволновый спектрометр / С.П. Бедов, М.Ю. Третьяков. (СССР). - N 1320723; Заявлено 20.10.86; опубл. 30.06.87, Бюлл. N 24.// Открытия. Изобретения. -1987. N 12. - С. 57.

[13] С.П. Белов, В.М. Демкин, В.И. Пученкин и М.Ю. Третьяков. Суб-мпллиметровый газовый спектрометр РАД третьего поколения // Препринт ИПФ АН N 201. - Горький, 1988. 24 с.

[14] С.П. Белов, Ю.А. Дрягин, Д.Г. Павельев, В.В. Паршин, М.Ю. Третьяков. Волномер. Авторское свид. N 1434372, опубл. 30.10.88, бюлл. N40. с.209.

[15] G. Winnewisser, A.F. Krupnov, M.Yu. Tretyakov, M. Liedtke, F. Lewen, A.H. Salelc, R. Schieder, A.P. Shkaev, and S.A. Volokhov. Precision Broadband Spectroscopy in The Teraherts Region //J. Molec. Spectr. - 1994. - V. 165. - P. 294 -300.

[16] S.P. Belov, I.N. Kozin, O.L. Polyansky, M.Yu. Tretyakov. MW Spectrum of Water Molecule Between 840 and 925 GHz // Proceedings of the X-th International Conference on High Resolution Infrared Spectroscopy, September 5-9. Liblice near Prague, Czechoslovakia. - 1988.

P. 36.

[17] М.Ю. Третьяков, И.Н. Козин, В.Дж. Лафферти. Исследование субмиллиметрового спектра двуокиси серы SO2 // Препринт ИПФ РАН N 351. - Н.Новгород, 1994. - 20с.

[18] M.Yu. Trctyakov, A.F. Krupuov. Spectroscopy on the Harmonics of the Submillimeter Backward Wave Oscillators // J. Molcc. Spect.r. 1995. . V. 171. P. ООО 000. (in press)

[19] A.F. Krupuov, M.Yu. Tretyakov, Yu.A. Dryagiu. S.A. Vobkhov, Extension of I.In- Bauge of Microwave Specl.ioskopy up to 1.3 T(I/, // J. Molcc. Sprrlr. 1995. V.170. N 1. P. 279 284.

[20] M.IO. Третьяков, А.Ф. Крупнон, C.A. Волохов, Расширение диапазона микроволновой спектроскопии до 1,5 Терагерца // Письма в ЖЭТФ. 1995. Т.61 Вып. 1. Стр. 75-80.

Содержание диссертационной работы

Введение 3

1 Спектроскопия с ЛОВ, стабилизированной по перестраиваемому реоонатору Фабри-Перо 7

1.1 Спектрометр со стабилизацией частоты излучения

источника по перестраиваемому резонатору Фабри Перо ......... И)

1.2 Исследование спектра молекулы воды в Терагерцовой

области частот ..................................................... 27

2 Спектроскопия с ЛОВ управляемой цифровым способом с помощью системы ФАПЧ 41

2.1 Субмиллиметровый синтезатор частоты на основе ЛОВ

и промышленного синтезатора миллиметрового диапазона ........ 42

2.2 Применение нового субмиллиметрового синтезатора

частоты в микроволновой спектроскопии .......................... 51

3 Расширение диапазона микроволновой спектроскопии до 1,5 ТЪрагерц 59

3.1 Умножитель частоты субмиллиметрового диапазона...........60

3.2 ЛОВ как генератор гармоник ................................... 61

3.3 Умножение частоты .субмиллиметровой ЛОВ до 1,5 Тератерц .. 70

Заключение 78

Библиография

80