Mikrovlnné spektrální zdroje a detektory

Transkript

1 Mikrovlnné spektrální zdroje a detektory Patrik Kania a Štěpán Urban Laboratoř molekulové spektroskopie vysokého rozlišení Ústav analytické chemie, VŠCHT Praha kaniap@vscht.cz Moderní metody chemické fyziky I

2 Nové teleskopy pro sub-mm astronomii HIFI / Herschel Herschel Space Observatory 0,5-1,25 THz a 1,4 1,9 THz start 2/2009 ALMA Atacama Large Millimeter Array GHz ( GHz) start ~ 2013 APEX Atacama Pathfinder Experiment GHz (1,3-1,5 THz)

3 Základní klasifikace mikrovlnných zdrojů zdroj se svazkem elektronů (angl. electron beam source) polovodičový zdroj (angl. solid state source)

4 výkon vs frekvence pro tzv. solid-state a electron beam zařízení Ref: The Microwave Engineering Handbook (vol. 1) ed. Smith ( 1993)

5 Zdroje se svazkem elektronů

6 Klystron - vakuová elektronka (Stanford University, 1937) Russell Varian - první mikrovlnný zdroj - základ radarového systému princip: využití rychlostní modulace přenos energie elektronů na EM-vlnu Sigurd Varian rychlostní modulace

7 Klystron

8 Klystron - základ radarového systému - vysoké výkony (desítky až stovky MW) 65 MW pulzní S-pásmový klystron

9 Klystron The electron gun produces a flow of electrons The bunching cavities regulate the speed of the electrons so that they arrive in bunches at the output cavity The bunches of electrons excite microwaves in the output cavity of the klystron The microwaves flow into the waveguide The electrons are absorbed in the beam stop

10 Backward wave oscillator zpomalovací struktura 1 - topení 2 - katoda 3 - elektronový paprsek 4 - anoda 5 - magnet 6 - zpomalovací struktura 7 - elektromagnetická vlna 8 - vlnovod 9 vodní chlazení

11

12 Backward wave oscillator requency [GHz] Backward Wave Oscillator OB5-0 * RF Power [mw] * ISTOK, Fryazino, Moscow Region Slow Wave Structure Voltage [V] BWO Beam

13 Backward wave oscillator

14 Backward wave oscillator

15

16 Magnetron - vysoké výkony (desítky až stovky kw) - malá proladitelnost

17 Polovodičové zdroje

18 Gunnova dioda J. B. Gunn - polovodičové zařízení objevené v roce 1962 rozdílná pohyblivost elektronů záporný odpor - první levný zdroj mikrovlnného záření a bez vakua - polovodič typu N (GaAs, GaN, InP) - typické elektrické pole 350 kv/m - citlivé na zničení

19 Gunnova dioda Dva způsoby definice odporu materiálu: Statický odpor, Dynamický (diferenciální) odpor, R = U/I r = du/di oblast záporného odporu (r <0)

20 Gunnova dioda Celkové napětí v RLC obvodu je di ( t) i( t) 0 L i( t) R dt dt C řešení i (t ) = exp(at ) A R R 2 4L / C 2L pokud R 2 4L / C A je komplexní nové řešení i (t ) = exp(at )exp(j t ) a 2 R L R 2 4L / C 2L

21 Malá fluktuace elektrického pole (vliv tepelných kmitů) v oblasti záporného dynamického odporu vede ke vzniku oscilací, jež způsobí rozkmitání napětí aplikované na diodu. Gunnova dioda

22 Gunnova dioda Výstupní výkon závisí na rozsahu napětí a proudu v oblasti negativního odporu P < (V valley -V peak ) (I peak -I valley ) - GaAs do 120 GHz s výkonem > desítky mw - InP do 200 GHz (nutnost větších intenzit pole) s výkonem do 50 mw - GaN do 3 THz (teorie) - přeladění mechanické (velikost rezonanční kavity) a elektrické (bias)

23 Gunnova dioda

24 Gunnova dioda M. E. Levinstein, Y. K. Pozhela a M. S. Shur, Sov. Radio, Moscow, 1975

25 IMPATT dioda IMPact Ionization Avalanche Transit-Time (W. T. Read ) lavinová produkce elektronů záporný odpor - výkonný zdroj mikrovlnného záření - polovodič typu N-P (GaAs, SiC, Si) - typické elektrické pole 40 MV/m - náchylné k sebedestrukci - velký fázový šum náhodná povaha lavinových procesů

26 IMPATT dioda - GaAs do 200 GHz s výkonem > stovky mw (nutnost větších intenzit pole) - přeladění změnou procházejícího proudu (možnost i modulace) IMPATT dioda

27 IMPATT dioda

28 Schottkyho dioda - využívá přechodu KOV - POLOVODIČ I Walter H. Schottky 0,2 V U vodivost dána emisí elektronů z polovodiče do vodivostního pásu kovu - je rychlejší oproti p-n diodám, které jsou zatíženy rekombinacemi děr a e - KOV - zlato, platina, titan POLOVODIČ - Si, GaAs - nižší úbytek napětí v propustném směru nižší ztráty energie

29 Schottkyho dioda Jak měřit při vyšších frekvencích? 12 C 16 O J = 1 0 v = 115, (5) GHz

30 Schottkyho dioda násobič frekvencí Jak? využitím nelineární impedance měnící se s aplikovaným napětím Schottkyho dioda doubler tripler quadrupler sextupler 1 cm

31 Schottkyho dioda násobič frekvencí vstupní signál s frekvencí f D55 doubler (f. Virginia diodes) výstupní signál s frekvencí 2 x f

32 Schottkyho dioda násobič frekvencí Jak fungují? využití nelineární impedance měnící se s aplikovaným napětím nelineární změna odporu VARISTOR + široké frekvenční pásmo - nižší účinnost teoreticky P P výstup vstup WR 12x2 doubler 25 % WR 2.8x3 tripler 11 % WR 6.5x2 doubler 25 % WR 4.3x6 sextupler 2,7 % WR 6.2x4 quadrupler 6,2 % 1 n 2 nelineární změna kapacity VARACTOR - úzké frekvenční pásmo + vyšší účinnost teoreticky 100 % D55v2 doubler D60v4 doubler

33 LEGO zdroj = + = + =

34 SuperLattice násobič 70 period vývoj a výroba D.Paveliev (N. Novgorod State University) K.F.Renk (Universität Regensburg) Struktura 14 mono GaAs 3 mono AlAs periodická struktura 14 monovrstev GaAs / 3 monovrstvy AlAs 70 period celkem výstupní výkon ~ 0.5 mw, 3. harmonická účinnost > 5 % pro 3. harmonickou frekvence ~ GHz

35 SuperLattice násobič

36 SuperLattice násobič

37 - symetrická I/V charakteristika SuperLattice násobič

38 THz spektrometr se SuperLattice násobičem THz-SL Multiplier SL vstup GHz 5-8mW SL výstup 234 >1060GHz

39 THz spektrometr se SuperLattice násobičem Microwave Synthesizer Generator Unit GHz 5-8 mw BWO Sweeper

40 SuperLattice násobič x3, x5, x7, x9 CH 3 OH 1. záznam > 1THz!

41 SuperLattice širokospektrální záznam (HR)

42 THz spektrometr se SuperLattice násobičem C. Endres et al.

43 THz spektrometr se SuperLattice násobičem C. Endres et al.

44

45 THz spektrometr se SuperLattice násobičem C. Endres et al.

46 THz spektrometr se SuperLattice násobičem C. Endres et al.

47 Výstupní výkon Schottkyho a Superlattice násobiče Application of Superlattice Multipliers for High Resolution THz Spectroscopy, C. P. Endres, F. Lewen, T. F. Giesen, and S. Schlemmer, Rev. Scientific Instr. (2007)

48 COSSTA Cologne Sideband Spectrometer for Terahertz Applications BWO + FIR plynový laser Sideband zdroj Schottky dioda FIR BWO dolní sideband (odfiltrovaný) horní sideband 0,2-0,4 1,2-1,4 1,6 1,8 2,0 frekvenční rozsah frekvenční stabilita BWO (fázově stab.) GHz <1 Hz frekvenční stabilita FIR laseru (frekv. stab.) 5 khz absolutní určení frekvence khz výstupní výkon < 1,5 µw citlivost 10-4 cm -1

49 COSSTA Cologne Sideband Spectrometer for Terahertz Applications Parabolic mirror PLL Upper Sideband THz Absorption Cell InSb- Detector Permanent Magnet BWO Filter CO 2 - Pumplaser Grating Si-beamsplitter FIR-Ringlaser Laserbeam Polarizing Filter BWO- Radiation Elliptical Mirror Gunn AFC IF Harmonic Mixer GHz THz-Sideband- Mixer Harmonic Mixer 1.626THz ZF BWO fázová stabilizace evakuovaná optika s mixerem stabilizovaný FIR laser

50 COSSTA Cologne Sideband Spectrometer for Terahertz Applications

51 CCC Lowest Bending Transitions měřeno pomocí COSSTA spektrometru Gendriesch et al. (2003)

52 CH 2 radikál - měřeno pomocí COSSTA spektrometru

53 CH 2 radikál - měřeno pomocí COSSTA spektrometru Ozeki & Saito Lovas, Suenram Evenson Cologne 943 GHz 1955 GHz Ozeki & Saito

54 Mikrovlnné detektory

55 Schottkyho dioda jako detektor princip: usměrňování střídavé elektrické složky mikrovlnného záření dopad záření na detektor MW signál před dopadem na detektor záření usměrněný signál po dopadu na Schottky diodu

56 Responisvity(V/W) Schottky dioda jako detektor WR5.1 ZBD responsivity at 5uW input BLK 19 typická citlivost 500mV/mW Freq(GHz) časová odezva ms citlivost 0,5-1 V/mW NEP (šum) 20 pw/hz -1/2 rozsah GHz

57 Schottkyho dioda jako detektor ANO!

58 Bolometr - termální detekce teplotního efektu MMW záření - nejčastější typ - InSb (elektronový plyn) dopad MMW fotonu absorpce elektrony a zvýšení jejich pohyblivosti zvýšení vodivosti změna napětí chlazení pomocí LN a LHe snížení teplotního šumu

59 Bolometr časová odezva 1 ms citlivost 10 V/mW NEP (šum) 0,2 pw/hz -1/2 rozsah GHz

60 Děkuji za pozornost