Mikrovlnné spektrální zdroje a detektory

Mikrovlnné spektrální zdroje a detektory

Patrik Kania a Štěpán Urban Laboratoř molekulové spektroskopie vysokého rozlišení Ústav analytické chemie, VŠCHT Praha [email protected]

Moderní metody chemické fyziky I

14. 5. 2014

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

84 - 720 GHz (30 - 950 GHz) start ~ 2013

APEX

Atacama Pathfinder Experiment

280 - 890 GHz (1,3 - 1,5 THz)

Základní klasifikace mikrovlnných zdrojů zdroj se svazkem elektronů

polovodičový zdroj

(angl. electron beam source)

(angl. solid state source)

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

Zdroje se svazkem elektronů

Klystron Russell Varian

- vakuová elektronka (Stanford University, 1937) - první mikrovlnný zdroj - základ radarového systému

princip: využití rychlostní modulace přenos energie elektronů na EM-vlnu Sigurd Varian

rychlostní modulace

Klystron

Klystron - základ radarového systému

- vysoké výkony (desítky až stovky MW)

65 MW pulzní S-pásmový klystron

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

„Backward wave oscillator”

zpomalovací struktura

1 2 3 4 5

-

topení katoda elektronový paprsek anoda magnet

6 7 8 9

- zpomalovací struktura - elektromagnetická vlna - vlnovod – vodní chlazení

„Backward wave oscillator” Backward Wave Oscillator OB5-0

*

Frequency [GHz]

RF Power [mW]

Slow Wave Structure Voltage [V] * ISTOK, 141120 Fryazino, Moscow Region

BWO Beam Pattern @600GHz



Magnetron

- vysoké výkony (desítky až stovky kW) - malá proladitelnost

Polovodičové zdroje

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

Gunnova dioda Dva způsoby definice odporu materiálu: Statický odpor,

R = U/I

Dynamický (diferenciální) odpor,

r = dU/dI

oblast záporného odporu (r <0)

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 )

 R  R 2  4L / C A 2L

pokud

R 2  4L / C

 A je komplexní

nové řešení  i (t ) = exp(at )exp(jt )

R a 2L



R 2  4L / C 2L

Gunnova dioda

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 Výstupní výkon závisí na rozsahu napětí a proudu v oblasti negativního odporu

P < (Vvalley-Vpeak)(Ipeak-Ivalley) - 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)

Gunnova dioda

Gunnova dioda

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

IMPATT dioda IMPact Ionization Avalanche Transit-Time (W. T. Read - 1965) 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

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

IMPATT dioda

IMPATT dioda

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 eKOV - zlato, platina, titan

POLOVODIČ - Si, GaAs

- nižší úbytek napětí v propustném směru  nižší ztráty energie

Schottkyho dioda Jak měřit při vyšších frekvencích?

12C16O

J=1←0

v = 115,2712018 (5) GHz

Schottkyho dioda – násobič frekvencí Jak?  využitím nelineární impedance měnící se s aplikovaným napětím

Schottkyho dioda

doubler tripler quadrupler sextupler

1 cm

Schottkyho dioda – násobič frekvencí vstupní signál s frekvencí f

D55 doubler (f. Virginia diodes)

výstupní signál s frekvencí 2 x f

Schottkyho dioda – násobič frekvencí Jak fungují?  využití nelineární impedance měnící se s aplikovaným napětím

nelineární změna odporu VARISTOR

nelineární změna kapacity VARACTOR

+ široké frekvenční pásmo - nižší účinnost

- úzké frekvenční pásmo + vyšší účinnost

teoreticky WR 12x2 WR 2.8x3 WR 6.5x2 WR 4.3x6 WR 6.2x4

Pvýstup Pvstup

1  2 n

doubler tripler doubler sextupler quadrupler

teoreticky 100 % 25 % 11 % 25 % 2,7 % 6,2 %

D55v2 doubler D60v4 doubler

LEGO zdroj

=

+

=

+

=

„SuperLattice” násobič 70 period

vývoj a výroba D.Paveliev (N. Novgorod State University) K.F.Renk (Universität Regensburg) Struktura •

•

periodická struktura 14 monovrstev GaAs / 3 monovrstvy AlAs 70 period celkem

• • •

výstupní výkon ~ 0.5 mW, 3. harmonická účinnost > 5 % pro 3. harmonickou frekvence ~ 300 – 3000 GHz

14 mono GaAs 3 mono AlAs

„SuperLattice” násobič

„SuperLattice” násobič

„SuperLattice” násobič - symetrická I/V charakteristika

THz spektrometr se „SuperLattice” násobičem

THz-SL Multiplier

SL vstup 80 - 118GHz 5 - 8mW

SL výstup 234 – >1060GHz


Microwave Synthesizer

Generator Unit

80 - 118 GHz 5 - 8 mW BWO Sweeper

„SuperLattice” násobič – x3, x5, x7, x9 CH3OH

1. záznam > 1THz!

SuperLattice – širokospektrální záznam (HR)


C. Endres et al.


C. Endres et al.


C. Endres et al.


C. Endres et al.

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)

COSSTA

Cologne Sideband Spectrometer for Terahertz Applications • BWO + FIR plynový laser



Sideband zdroj

Schottky dioda

BWO

FIR

dolní sideband (odfiltrovaný)

0,2 - 0,4

horní sideband

1,2 - 1,4 1,6

1,8 – 2,0

• frekvenční rozsah

1750 - 2100 GHz

• frekvenční stabilita BWO (fázově stab.)

• frekvenční stabilita FIR laseru (frekv. stab.) • absolutní určení frekvence • výstupní výkon < 1,5 µW

<1 Hz

5 kHz

108  20-100 kHz citlivost  10-4 cm -1

COSSTA

Cologne Sideband Spectrometer for Terahertz Applications

Parabolic mirror

PLL

Upper Sideband 1.75-2.01THz

Permanent Magnet

Filter

BWO

InSbDetector

Absorption Cell

CO2 - Pumplaser Si-beamsplitter

Grating

FIR-Ringlaser Laserbeam

Polarizing Filter

BWORadiation

Elliptical Mirror AFC Gunn

IF

Harmonic Mixer 125-385GHz

BWO fázová stabilizace

THz-SidebandMixer

evakuovaná optika s mixerem

Harmonic Mixer 1.626THz

ZF

stabilizovaný FIR laser

COSSTA

Cologne Sideband Spectrometer for Terahertz Applications

CCC Lowest Bending Transitions měřeno pomocí COSSTA spektrometru

Gendriesch et al. (2003)

CH2 radikál - měřeno pomocí COSSTA spektrometru

CH2 radikál - měřeno pomocí COSSTA spektrometru

Ozeki & Saito Lovas, Suenram Evenson Cologne 943 GHz

1955 GHz

Ozeki & Saito

Mikrovlnné detektory

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

Schottky dioda jako detektor

WR5.1 ZBD responsivity at 5uW input 5000 4500 4000

Responisvity(V/W)

3500 3000 2500 2000 1500 BLK 19 1000

typická citlivost 500mV/mW

časová odezva citlivost NEP (šum) rozsah

500 0 140

20 - 30 ms 0,5 - 1 V/mW 20 pW/Hz-1/2 1 – 1700 GHz

150

160

170

180 Freq(GHz)

190

200

210

220

Schottkyho dioda jako detektor

ANO !

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

Bolometr

časová odezva citlivost NEP (šum) rozsah

1 ms 10 V/mW 0,2 pW/Hz-1/2 60 - 2500 GHz

Děkuji za pozornost http://www.vscht.cz/anl/lmsvr

Mikrovlnné spektrální zdroje a detektory

Recommend Documents