| Лаборатория разработки технологий СВЧ приборов. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Зав. лаб. – Евгений Анатольевич Мясин, к.т.н., лауреат Государственной премии СССР Научный состав:
Научные направления:
1. Генерация электромагнитных колебаний миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн Научный руководитель: Мясин Евгений Анатольевич, кандидат технических наук, зав.лаб.168 Фрязинского филиала ИРЭ РАН Тел. (496)5652454; факс (495)702-95-72; E-mail: eam168@ms.ire.rssi.ru 1.1. Генерация гармонических колебаний миллиметрового и ОРОТРОН С ДВУХРЯДНОЙ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ В настоящее время источники электромагнитных колебаний коротковолновой части миллиметрового диапазона волн (КВЧММДВ) и субмиллиметрового диапазона волн (СУБММДВ)с импульсной выходной мощностью соответственно от единиц киловатта до единиц ватта представляют большой интерес для различных применений. Прежде всего, это - исследование радиофизических свойств атмосферы, ближняя радиолокация в диапазоне линий поглощения кислорода или водяного пара, обычная радиолокация в окнах прозрачности атмосферы, радио видение и т.д. Особое место занимает использование источников этих диапазонов в спектроскопии. В связи с чрезвычайной насыщенностью средствами передачи информации спектра традиционного для них СВЧ диапазона, в недалёком будущем ими начнет интенсивно осваиваться и КВЧММДВ. Одним из перспективных генераторов этих диапазонов волн является оротрон. Сегодня мощный импульсный оротрон это резонансный генератор электромагнитных колебаний коротковолновой части сантиметрового (КВЧСМДВ) и миллиметрового диапазонов волн (ММДВ). Однако, как показывают теоретические и экспериментальные исследования, этот прибор может обеспечить достаточно большую мощность и в КВЧММДВ [1].На рис. 1а, б схематически представлены два типа оротрона.
Рис. 1 а) Оротрон Ф.С. Русина, б) Мощный оротрон. Оротрон, предложенный Ф.С. Русиным и Г.Д. Богомоловым [2] (см. рис.1а) представляет собой электровакуумный прибор, генерация колебаний в котором возникает в результате взаимодействия плоского прямолинейного электронного потока с электромагнитным полем, возбуждаемым им в пространстве взаимодействия открытой электродинамической системы (ОЭДС) прибора. ОЭДС прибора представляет собой двух зеркальный открытый резонатор (ОР), состоящий из фокусирующего и плоского зеркала, на котором располагается открытая гребенчатая периодическая структура (ПС. В отличие от работы [2], в мощных оротронах (см. рис. 1б)используется отражательная двухрядная периодическая структура (ДПС). ДПС в КВЧММДВ состоит из двух рядов металлических периодических структур с одним и тем же периодом и его заполнением. Они расположены так, что одна из них располагается над другой на расстоянии 1/3-1/4 периода. Таким образом, между рядами образуется пролётный канал, в котором перпендикулярно образующей элемента периодичности (вдоль оси симметрии ДПС) движется на коллектор электронный поток, эмитируемый термокатодом электронной пушки. Двигаясь между двумя периодически неоднородными металлическими поверхностями, электронный поток излучает электромагнитные волны в полупространство над плоским зеркалом, частотный диапазон которых зависит от периода ДПС, рабочего напряжения и угла излучения. Излучение, которое «захватывается» фокусирующим зеркалом, возвращается к плоскому зеркалу и, падая на ПС, образует сложное дифракционное высокочастотное (ВЧ) поле. Это ВЧ поле можно представить суммой медленных пространственных гармоник, распространяющихся в ДПС, и быстрых волн, образующих поле стоячей волны в ОР. Если условия таковы, что одна из медленных пространственных гармоник резонансной частоты движется синхронно с электронным потоком, её ВЧ поле взаимодействует с электронным потоком, группируя его в сгустки. При правильной фазировке эти сгустки движутся в тормозящей фазе ВЧ поля, отдавая ему свою кинетическую энергию. Таким образом,ВЧ энергия в резонаторе увеличивается. Следовательно, увеличивается и амплитуда электрической составляющей ВЧ поля, взаимодействующей с электронным потоком. Когда рабочий ток увеличится на столько, что мощность излучения превысит мощность, необходимую для компенсации омических и дифракционных потерь в ОЭДС оротрона, возникают незатухающие электромагнитные колебания на резонансной частоте ОР. При необходимости увеличения мощности, могут быть использованы несколько электронных потоков, и тогда (в зависимости от их числа) ДПС должна быть многорядной. Проведение электронного потока от катода до коллектора обеспечивается внешним фокусирующим магнитным полем. Таким образом, оротрон является прибором с продольным взаимодействием, т.е. прибором О-типа. В отличие от генераторов миллиметрового диапазона волн на основе классических приборов типа ЛОВ, ЛБВ или клистрон с обратной связью, оротрон выгодно отличается разреженностью спектра собственных частот ОР и высокой стабильностью частоты генерации, обеспечиваемой высокой добротностью ОР. По той же причине оротрон имеет малую крутизну электронной перестройки частоты (когда при неизменных других параметрах изменяется только напряжение) по сравнению с ЛОВ. Главное преимущество оротрона над классическими приборами О-типа заключается в возможности (увеличения ширины пространства взаимодействия до размера, много большего длины волны генерации) (использовать одно из измерений поперечного сечения пространства взаимодействия много больше длины волны генерации,) что позволяет существенно увеличить рабочий ток прибора, не используя компрессии электронного потока. Это позволяет при продвижении прибора в КВЧММДВ существенно увеличить его выходную мощность. В течение ряда лет (1975-1990 годы) по инициативе д.т.н. З.С. Чернова в ИРЭ АН СССР был проведен цикл теоретических и экспериментальных исследований оротронов с целью выяснения возможности реализации высокоэффективных режимов электронно-волнового взаимодействия в ММДВ и коротковолновой части СМДВ при выходной ВЧ мощности соответственно от единиц до десятков и сотен кВт. Экспериментально в подтверждение выводов теории впервые у нас в стране и за рубежом (уже к 1987г.) получены следующие параметры мощных эффективных импульсных генераторов с открытой электродинамической системой (ОЭДС) в виде полусферического открытого резонатора, на плоском зеркале которого размещалась ДПС. Полный список работ этого периода вплоть до 2002 г. приведен в [1]. Таблица 1 Здесь f - частота, Pи - мощность в импульсе, КПДн - коэффициент полезного действия прибора (в нагрузке), Qн - нагруженная добротность открытого резонатора (ОР), Uo - ускоряющее напряжение и Io - ток пучка в импульсе, j - плотность тока с катода. Во второй строке Таблицы 1 приведены параметры прибора с тремя электронными пучками. Основа этих результатов - новая конструкция ДПС [3]. Эти результаты получены впервые у нас в стране и за рубежом в 1984...1987 годах, но впервые были опубликованы только в 1990г [4]. Из-за отсутствия средств они до сих пор ждут своего потребителя. Однако эти результаты получены в приборах, в которых отсутствовала возможность механической перестройки по частоте с подстройкой напряжения, и оптимизация параметров ОЭДС, ускоряющего напряжения и тока проводились строго для одной частоты. В 1995…2005 годах теоретически и экспериментально проведено исследование работы мощного двухкаскадного усилителя 8мм диапазона волн, каждый каскад которого представлял собой полусферический ОР, а на плоском зеркале ОР располагалась двухрядная периодическая структура. Фактически каждый каскад усилителя представлял собой ОЭДС оротрона – генератора, но режим усиления в системе обеспечивался за счёт работы при токе меньшем, чем пусковой ток генерации. В работе [5] была представлена строгая релятивистская нелинейная теория работы двухкаскадного оротронного усилителя, в которой предполагалось, однако, что первый каскад работает в линейном режиме. В процессе дальнейшего экспериментального исследования такого усилителя [6] было установлено, что линейное приближение для описания работы первого каскада усилителя применимо для ограниченной области параметров реального прибора и поэтому необходимо использовать нелинейную модель электронно-волнового взаимодействия, адекватно описывающую режим больших амплитуд входного сигнала. С этой целью была построена теоретическая модель двухкаскадного усилителя, процессы электронно-волнового взаимодействия в обоих каскадах которого описывались нелинейными уравнениями [7]. Разработана программа расчета КПД такого усилителя на основе численного решения нелинейных уравнений, учитывающих особенности работы первого каскада усилителя в режиме большого сигнала. Проведено сравнение экспериментальных результатов с результатами численного расчета [7] для усилителя с выходной мощностью 2,5 кВт и коэффициентом усиления 13 дБ на фиксированной частоте входного сигнала 35,95 ГГц. К настоящему времени проведено исследование возможности широкодиапазонной перестройки импульсных оротронов (генераторов) с ДРПС и показана такая возможность в диапазонах 80 ГГц – 100 ГГц, 90 ГГц – 150 ГГц и 140 ГГц - 380 ГГц. Эта важная особенность прибора представляет несомненный интерес и существенно расширяет круг его возможных применений. Результаты исследований, проведенных за период с 2002г по 2008г включительно, связанные с продвижением оротрона с ДРПС в КВЧММДВ и с перспективой продвижения в СУБММДВ, приведены в [8], а результаты исследований в период с 2009 г. по 2012 г. – наиболее полно в работах [9,10,11,12]. Получить эти экспериментальные результаты позволила разработанная сварная металлокерамическая конструкция разборного макета оротрона (Рис.2).
Рис. 2 На рис.2 представлена разборная вакуумная камера макета на рабочем стенде. Это - корпус прибора со стороны коллекторного фланца, выполненного, как и сама камера, из нержавеющей стали, электрически изолированного от корпуса и служащего коллектором для электронного потока. Для лучшего отвода тепла стенка этого фланца выполнена из меди. Стенка этого фланца (как и фланца со стороны пушки) имеет углубление цилиндрической формы для размещения полюсных наконечников электромагнита. Снизу камеры-корпуса виден вывод энергии, к которому подсоединён внешний волноводный ВЧ тракт. Рядом с ним видны шланги водяного охлаждения ДПС. Сверху камеры видна ручка механизма перемещения фокусирующего зеркала ОР. Справа от неё виден один из двух высоковольтных вводов. На Рис. 2 патрубок откачки обмотан асбестовым одеялом, закрывающим спираль подогревателя для его прогрева до начала экспериментов. Видна также часть ярма и катушек электромагнита. Для преобразования этого макета в отпаянный прибор требуется только замена корпуса камеры со съёмными фланцами на герметичный неразборный корпус. Чтобы сделать прибор полностью автономным, необходимо поместить его в твердотельную магнитную систему, что в настоящее время не встречает принципиальных трудностей. При наличии Заказчика такой прибор в диапазоне 100ГГц – 150ГГц, работающий в твердотельной магнитной системе, с выходной мощностью в десятки Ватт при напряжении до 17 кВ можно разработать и создать за 1,5 года (Рис. 3). Прибор диапазона 140ГГц ….300ГГц, но с изменением выходной мощности от сотен до десятков мВт по диапазону перестройки в зависимости от ширины плоского катода (5мм, 7мм, 10мм), можно разработать и создать за 1.5 года (Рис.4). Прибор с меньшим диапазоном перестройки может быть сделан с выходной мощностью в несколько Ватт, например, в диапазоне 180ГГц - 240ГГц (Рис.5).
Рис. 3
Рис. 4
Рис. 5 С 2013 г. по настоящее время проведен цикл исследований по продвижению верхней границы перестройки оротрона в субмиллиметровый диапазон. При ограниченной величине рабочего напряжения (<20кВ) (и, как следствие, необходимости уменьшать период ДРПС) и невозможности уменьшать высоту пролётного канала меньше 0.1мм, в пространстве взаимодействия оротрона с ДРПС реализуется существенная неоднородность ВЧ поля по толщине электронного потока. Это обстоятельство сводит на нет основное преимущество ДРПС над другими периодическими структурами – возможность эффективно использовать толстые электронные потоки. Однако неоднородность ВЧ поля по ширине электронного потока можно устранить за счёт использования в ОР фокусирующих многофокусных сфероцилиндрических зеркал с образующей цилиндров поперёк движения электронного потока. Тем самым удаётся увеличить рабочий ток, взаимодействующий достаточно эффективно с ВЧ полем, и тем самым уменьшить пусковой ток генерации и увеличить выходную мощность прибора. В оротроне при периоде 0.182 мм высоте первого ряда 0.2мм и высоте второго ряда ДРПС 0.168мм впервые зафиксирована генерация на частоте 357ГГц и выяснены условия для увеличения мощности и продвижения ВЧГП прибора вверх по частоте [29]. В результате впервые в 2014 году была достигнута частота 360 ГГц (0.83мм), а затем [30] в оротроне с ДРПС получена генерация на частотах ≈ 387 ГГц (λ= 0.7895мм) - 402ГГц (λ= 0.746мм), а в диапазоне 300 ГГц – 350 ГГц (1мм..0.85мм) получена генерация с выходной мощностью от 50 мВт до 100 мВт [30,31]. В 2015 г. в диапазоне 300ГГц…. 350ГГц (1мм..0.85мм) [36,37] была получена ВЧ мощность >50мВт, а на отдельных частотах более 450 мВт. Результаты этих измерений приведены на Рис.6, Рис.7, Рис.8.
Рис. 6
Рис. 7
Рис. 8 Литература
Статьи:
Доклады:
Патенты: 1.2. Генерация широкополосных хаотических (шумовых) колебаний миллиметрового диапазона длин волн Начало освоения миллиметрового диапазона волн (ММДВ) широкополосными диодными генераторами шума относится к 1984 году и связано с постановкой работ по шумовой радиолокации (ШРЛ) в 8мм диапазоне волн в ИРЭ АН СССР. За основу конструкции такого генератора в ММДВ была взята типичная для этого диапазона волноводная конструкция одно - диодного генератора гармонических колебаний на ЛПД (ГЛПД) с внутри волноводным открытым резонатором. С модифицированной конструкций колебательной системы ГЛПД к 1986 году была показана возможность создания широкополосных (до 3% от средней частоты спектра по уровню -6дБ от максимальной величины СПМШ) ГШЛПД во всём 8мм диапазоне волн с использованием отечественных ЛПД этого диапазона 2А717А-Г. Одно - диодная конструкция ГШЛПД была использована и для создания широкополосного генератора шума 3мм диапазона волн. К 1987 году был создан такой ГШЛД с шириной спектра 8 ГГц. Интегральная мощность на выходе ГШЛПД определяется параметрами диода и зависит от ширины спектра шума: чем шире спектр, тем меньше мощность. Более подробную информацию о характеристиках ГШЛПД можно найти в работе [1]. В настоящее время разработаны и созданы работающие макеты ГШЛПД в 8мм и в 3мм диапазонах, использующие отечественные ЛПД, для проведения экспериментальных исследований по ШРЛ, радиовидению и по усилению шумового сигнала в ЛБВ. На рис.1 представлен ГШЛПД 8мм диапазона и спектры 2ух ГШЛПД с интегральной мощностью 30мВт и 10мВт. На рис.2 - ГШЛПД 3мм диапазона и его спектры для разных токов ЛПД (снизу вверх: 62 мА, 70 мА, 80 мА и 88 мА).
Рис. 1
Рис. 2 В принципе, в настоящее время задача по созданию ГШЛПД с использованием отечественных ЛПД может быть решена в любом участке миллиметрового диапазона с требуемыми Заказчику параметрами. Литература
ШУМОВОЙ РАДИОЛОКАТОР С ДВОЙНЫМ СПЕКТРАЛЬНЫМ АНАЛИЗОМ СИГНАЛА ПРИ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКЕ ВТОРИЧНОГО СПЕКТРА Шумовая радиолокация обладает целым рядом замечательных особенностей: скрытностью, помехозащищённостью, высоким разрешением по дальности и точностью её определения, совместимостью с другими радио средствами. Поэтому она является технологией двойного назначения, и к ней периодически обращаются различные потребители, предъявляя высокие требования, как к обработке шумового сигнала, так и к конструкции шумового радиолокатора. В ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН впервые предложена и экспериментально показана возможность использования цифровой обработки при вторичном анализе спектра сигнала в ШРЛ с двойной спектральной его обработкой. Показано, что использование цифровой обработки существенным образом может улучшить точность определения дальности до неподвижного объекта и разрешение шумового радиолокатора (ШРЛ), а также упростить его конструкцию. ШРЛ со спектральной обработкой сигнала в обычном варианте исполнения [1] для определения дальности до объекта содержит в своём составе два анализатора спектра. Первый – высокочастотный, с помощью которого производится последовательный анализ спектра суммарного сигнала на несущей частоте. Как показано в [1], если расстояние L до объекта L > l = c/F (c – скорость света, а F – ширина спектра зондирующего шумового сигнала), то при сложении отражённого от объекта и опорного сигналов в сумматоре происходит их некогерентная интерференция, сопровождающаяся возникновением периодической неравномерности с периодом Δf в спектре суммарного сигнала. Она однозначно определяет расстояние до объекта: L = c/2Δf. Поскольку анализ спектра шумового широкополосного сигнала производится в результате его развёртки во времени, то на видео выходе АС после детектирования формируется новый, но низкочастотный сигнал, который содержит как полезную информацию о дальности до объекта, так и о скорости развёртки. Используя низкочастотный анализатор спектра (второй) для нахождения спектра этого сигнала, можно более точно определить расстояние до объекта, так как в этом случае необходимо произвести анализ всего одной спектральной составляющей (а не широкополосного шумового сигнала) и, кроме того, ширина спектральной линии гетеродина второго АС может быть существенно уже, чем первого. При этом новая частота Ω в спектре низкочастотного сигнала определяется, как скоростью развёртки первого АС S = F/2τ Гц/сек (где, τ - время развёртки), так и периодом неравномерности Δf простым соотношением: Ω = S/Δf. Определив Ω , сразу же однозначно можно определить расстояние до объекта по формуле:
Оценка точности и разрешающей способности радиолокационных измерений ШРЛ проведена в работе [2]. Точность определения расстояния и разрешающая способность такого ШРЛ при последовательном анализе спектра определяются скоростью развёртки высокочастотного анализатора и шириной спектральной линии гетеродина низкочастотного анализатора. Следовательно, разрешающая способность всегда хуже предельно возможного, определяемого шириной F спектра шумового сигнала. Точность определения расстояния и разрешающая способность могут быть существенно улучшены, если исключить из структуры ШРЛ низкочастотный анализатор спектра, а спектральный анализ сигнала с видео выхода высокочастотного АС осуществлять с помощью компьютера. Причём, как будет показано ниже, в некотором диапазоне дальностей действия такого ШРЛ можно получить разрешение по дальности для неподвижного объекта, близкое к теоретическому пределу. Ниже приведены экспериментальные результаты по измерению расстояния до объекта с помощью шумового радиолокатора 8мм диапазона волн, выполненного по схеме работы [1], в котором вместо второго АС для определения частоты Ω использован персональный компьютер [3]. При этом аналоговая информация (временная реализация) с видео выхода первого АС поступала на вход аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) с полосой пропускания (частотой квантования - быстродействием) ~22000Гц. В качестве АЦП использовалась типовая звуковая карта Sound Blaster Pro "ESS-1868 3-D Sound". Этот сигнал записывался в файл операционной системы Windows 95. В оцифрованном виде эта реализация «читалась» с помощью стандартной программы в среде MATLAB и с помощью Фурье-преобразования определялся её энергетический спектр. Анализ спектра реализации, полученный таким образом, даёт возможность определить не только информативную частоту Ω, но и частоту развёртки АС ν = 1/τ, которая может существенно отличаться от её значения, вынесенного на переднюю панель АС. Оценка дальности действия такого ШРЛ проведена в работе [3] и показано, что максимальная дальность действия может быть не хуже, чем у известного аналога, а выбор того или иного разрешения по дальности и максимальной дальности действия ШРЛ определяется его назначением. В случае улучшения разрешения по дальности максимальная дальность будет ограничиваться быстродействием звуковой платы. Экспериментальный макет шумового радиолокатора состоял из приёмо-передающего блока и блока обработки сигнала. Приёмопередающий блок представлен на рисунке 1. Он был выполнен в виде переносного шасси. На нём были смонтированы: генератор шума на лавиннопролётном диоде (ГШЛПД) с волноводным выводом энергии (1) [4], ферритовый развязывающий вентиль (3), направленный ответвитель (4) с переходным ослаблением 20дБ в боковое плечо, рупорные передающая (5) и приёмная (7) антенны, переменный аттенюатор (6) и волноводный мост (8), выполняющий роль сумматора опорного и эхо сигналов. Опорный сигнал поступал от генератора через боковое плечо направленного ответвителя и через аттенюатор на один из его входов, а эхо сигнал, поступал на другой его вход от приёмной антенны. Напряжение питания ГШЛПД осуществлялось от специально разработанного источника тока (2). Широкополосный шумовой сигнал, генерируемый ГШЛПД, имел выходную мощность 4мВт, почти Гауссову форму огибающей спектра мощности, и ширину спектра F по уровню – 3дБ от максимального значения спектральной мощности шума равную 200МГц. Центральная частота спектра f = 34.5ГГц .
Блок обработки сигнала включал в себя анализатор спектра С4-60 и персональный компьютер, имеющий упомянутый выше АЦП, операционную систему Windows 95 и пятую версию системы математических расчётов MATLAB. АС располагался на одной подвижной стойке с приёмо-передающим модулем, и его коаксиальный вход соединялся с одним из выходов волноводного моста (сумматора) с помощью волноводно-коаксиального перехода. Видео выход АС с помощью длинного коаксиального кабеля соединялся с входом АЦП компьютера. Сигнал с этого же выхода АС подавался для контроля на вход осциллографа, расположенного в той же подвижной стойке. Эксперименты по определению дальности до объекта, в качестве которого служил квадратный металлический лист со стороной, равной 1,5 метрам, проводились в помещении на расстояниях до 10 метров. На рисунке 2а приведен фрагмент реализации сигнала с выхода АС, «вырезанный» из файла с сигналом большей длительности, при расстоянии до объекта, измеренном рулеткой, в 9 метров, а на рис.2б спектр этой реализации. Точность измерения зависит от длины реализации процесса, на основе которой вычисляется информативная частота Ωi.
а) б) Так для реализации длиной в ~1сек., представленной на рис.2а, точность dΩi определения значения Ωi ~1Гц. Следовательно, ошибка в определении дальности Li составит: dLi = αdΩi [3]. Вычисленный калибровочный параметр α = 0,047, и для рис.2а dLi=α м = 0,047м ~ 5см . Правда, в этом случае в спектре рядом с информативной частотой нетрудно заметить на расстоянии ± ν от частоты Ω две боковые составляющие спектра – результат модуляции полезного сигнала частотой ν развёртки. Однако, в отсутствие близко расположенных мешающих объектов их легко определить и не учитывать при расшифровке спектрограммы. Нетрудно показать, что при выборе длины реализации, равной длине развёртки, точность определения частоты Ωi составит величину, равную частоте ν развёртки, т.е. для случая рис.2 будет равна 14Гц. В этом случае точность определения расстояния до объекта будет равна ~ 0,66 м, т.е. несколько больше, чем ширина спектральной линии при вторичном анализе спектра, определяемая из работы [1]. Как следует из [1], полуширина спектральной линии в спектре при вторичном анализе есть σ = ΔΩ = S/πF. Поскольку S = Fν, то ширина спектральной линии 2σ = 2ΔΩ =2ν/π, т.е. определяется частотой ν развёртки. Поэтому, если выбрать частоту развёртки ~ 1Гц, частота Ωi в спектре, аналогичном рис.2а, будет определяться с той же точностью, но боковых составляющих в спектре не будет. Высказанное положение можно проиллюстрировать и для параметров АС и дальности до объекта, соответствующих рис.2, если выбирать различное время реализации обрабатываемого сигнала, т.е. время накопления информации. На рисунках 3а, 4а, представлены реализации сигнала различной длительности с видео выхода АС, начиная с длительности, равной длительности развёртки и соответствующей началу реализации рис.2а, а затем увеличивающейся в 9 раз. На рисунках 3б, 4б, представлены соответствующие этим реализациям спектры.
a) б) Рис. 3. Временная реализация 0.07сек а) и её мгновенный спектр б) на экране
a) б) Рис. 4. Временная реализация 0.6сек а) и её мгновенный спектр б) на экране Полученные результаты открывают перспективу дальнейшего совершенствования структуры ШРЛ путём переноса первичного анализа спектра шумового сигнала на диапазон частот, в котором имеются быстрые АЦП (до 1ГГц и более), позволяющие представлять относительно широкополосные шумовые сигналы в цифровом виде. В свою очередь, это даёт возможность производить двойную спектральную обработку шумового сигнала, путём двойного применения Быстрого Преобразования Фурье, используя вместо громоздких аналоговых приборов компьютер. Для некоторых применений важно знать характер временной реализации широкополосного шумового сигнала. Поэтому последние экспериментальные исследования были направлены на изучения временной реализации шумового сигнала ГШЛД 8мм диапазона волн и связаны с работой ШРЛ на его основе. Впервые были получены временные реализации хаотических колебаний в ГШЛПД 8мм диапазона длин волн, используемом в качестве источника сигнала в макете ШРЛ [5] . На рис. 5а,б,в представлены реализации, зарегистрированные на осциллографе TDS-3052 фирмы Tectonics. На рисунке 5а,б,в представлены режимы широкополосной шумовой генерации, наблюдаемой на анализаторе спектра С4-60 в зависимости от тока через диод.
Рис.5 Временные реализации для разных величин тока через диод: а) 45мА, б) 50мА, в) 55мА На рисунке 5а, наряду с реализацией процесса длительностью 2000нсек, представлена реализация одного релаксационного импульса в более крупном масштабе при длительности развёртки 200нсек и токе диода 45 мА. Анализ реализаций сигнала ГЛПД в режиме генерации хаотических колебаний показывает, что процесс генерации реализуется за счёт пролётной неустойчивости в многорезонансной автоколебательной системе и имеет характер релаксационных колебаний. В определённом интервале величин рабочего тока в каждом цуге колебаний просматривается регулярная составляющая с периодом ~30 нсек, связанная с работой ГЛПД в составе шумового радиолокатора и соответствующая регулярной огибающей спектра шумового сигнала с периодом f = c/2L = 33 МГц, где с – скорость света, L (4,5м) - расстояние до облучаемого объекта. Эта составляющая хорошо фиксируется на стадии затухания колебаний в цуге. Хаотическое разрушение регулярных колебаний осуществляется практически на стадии возникновения ударного возбуждения многорезонансной колебательной системы ГЛПД, но и здесь периодическая составляющая представлена достаточно чётко в виде огибающей хаотической «набивки». Таким образом, анализ изменения вида реализаций шумового сигнала от изменения тока через диод позволяет сделать некоторые предположения относительно механизма реализации такого режима ГШЛПД и внести коррективы в его математические модели. Литература
2. Плазмохимические технологии материалов наноэлектроники Научный руководитель: Шустин Евгений Германович, ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР НА БАЗЕ ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННОГО РАЗРЯДА
Научный руководитель: Шустин Евгений Германович, доктор физико-математических наук, вед. науч. сотр. Фрязинского филиала ИРЭ РАН Тел. (496)5652569; факс (495)702-95-72; E-mail: shustin@ms.ire.rssi.ru
В плазмохимических реакторах, используемых для осаждения тонких пленок, травления и модификации поверхности материалов микроэлектроники, управление характеристиками ионов, бомбардирующих обрабатываемый материал, весьма важно для оптимизации качества обработки. При ионном травлении функция распределения ионов по энергиям (ФРИЭ) и угловое распределение ионов, достигающих поверхность материала, критическим образом влияют на скорость и уровень анизотропии травления. Управление пространственным распределением бомбардирующих частиц в таких разрядах важно для напыления пленок с весьма однородной структурой. В ИРЭ РАН обнаружен эффект эмиссии из области пучково-плазменного разряда (ППР) ионного потока с энергией, регулируемой в диапазоне, оптимальном для задач травления и напыления материалов микроэлектроники. Исследованы механизмы ускорения ионного потока, определены способы и созданы средства управления энергией и плотностью потока ионов. Реализована методика компьютерного моделирования электродинамических процессов и транспорта заряженных частиц в замкнутом объеме с пучково-плазменным разрядом. Моделирование выявило механизм эффекта эмиссии ионного потока и определить качественные характеристики пучково-плазменного реактора при различных способах управления энергией ионного потока [1-3]. В наших исследованиях [4-8] показано, что на основе пучково-плазменного разряда (ППР), генерируемого электронным пучком с энергией ~ 2 кэВ и плотностью тока >0,1 А/см2 в газовой среде низкого давления (0,01-0,1 Па) при малом магнитном поле, может быть создан источник компенсированного по заряду потока ионов с управляемыми энергией и геометрией. Регистрируемый диапазон энергий ионов аргона 20-70 эВ есть оптимальный диапазон для мягкого травления (распыления) инертными газами (без участия химически активных сред) соединений типа AIIIBV и гетероструктур на их основе: ионы с меньшей энергией практически не вызывают распыления, ионы с большей энергией создают радиационные дефекты структуры полупроводника. Благодаря высокой эффективности ионизации в ППР и уходу ионов по нормали к оси разряда в значительной степени снимаются проблемы срока службы термокатода и загрязнения плазмы продуктами эрозии катода. Проведенные в последнее время исследования показали возможность изменения средней энергии ионов, бомбардирующих вынесенную за пределы разряда поверхность, в интервале 10-150 э-В при малом изменении параметров ППР. Наиболее серьезной проблемой, возникающей при воздействии на электроизолированные структуры (как при травлении, так и при осаждении) является заряд поверхности некомпенсированным ионным потоком, тормозящий ионы и, следовательно, приводящий к потере полезного эффекта. Распространенным методом, используемым в технологии RIE (Reactive Ion Etching) с индуктивным ВЧ источником плазмы, является высокочастотная модуляция потенциала держателя подложки. Как показало моделирование [2], этот способ компенсации заряда поверхности, контактирующей с плазмой, ограничен по применению: в случае большой толщины подложки и ее малой диэлектрической проницаемости падение напряжения на емкости подложки оказывается слишком большим. Увеличение модулирующего напряжения приводит к неприемлемому размытию функции распределения и соответствующему росту концентрации радиационных дефектов в режиме травления и снижению качества синтезируемых пленок – в режиме напыления. В нашем реакторе реализован альтернативный способ управления плавающим потенциалом поверхности электроизолированной структуры – модуляцией потенциала плазмы с помощью подачи на коллектор (или специальный электрод – в режиме напыления DLC пленок) импульсного напряжения [8]. Для этого режима разработан и изготовлен специальный модулятор. Модулятор обеспечивает генерацию импульсного напряжения с амплитудой 50-150 В при токе нагрузки ≤1 А в диапазоне рабочих частот 100-400 кГц. Модулятор может работать при скважности ≥2. В результате исследований создан прототип промышленного плазменно-пучкового реактора для обработки материалов наноэлектроники: как бездефектного травления, так и осаждения углеродных и других наноразмерных пленок [9]. 1. Низкоэнергетичное травление гетероструктур. Проведены испытания технологии травления ионными потоками из ППР полупроводниковых гетероструктур Al-GaAs/InGaAs/GaAs (P-HEMT), выращенных на подложках GaAs и перспективных для создания СВЧ полевых транзисторов миллиметрового диапазона. Исследовалось влияние такой обработки на концентрацию и подвижность электронов, чувствительные к дефектам, вносимым в процессе травления. Показано наличие эффекта травления со скоростью, приемлемой для промышленного применения, без деградации параметров гетероструктур, что свидетельствует о малой плотности радиационных нарушений и возможности использования ППР в технологии изготовления гетероструктурных СВЧ НЕМТ приборов [7,10]. Патент РФ на «Способ плазмохимического травления полупроводниковых и диэлектрических материалов» (№2316845, приоритет 06.06.2006 г., рег. 10.02.2008). Заявитель – Институт радиотехники и электроники РАН, авторы изобретения – Н.В. Исаев, Ю.В. Федоров, Е.Г. Шустин. 2.Осаждение алмазоподобных углеродных пленок (работа выполнена совместно с лабораторией 197 ). В мировой практике для напыления алмазоподобных углеродных (DLC) пленок достаточно широко используются плазмохимические реакторы низкого давления на основе ВЧ и СВЧ разрядов. Характеристики пленок критическим образом зависят от состава плазмообразующего газа, режима разряда и качества поверхности подложки. В работе [11-12] предложено для осаждения алмазоподобных пленок использовать специальную модификацию ППР, названную нами «отражательным ППР». В этой модификации в качестве коллектора-мишени используется диск из графита диаметром 10 см, на который подается потенциал катода. Таким образом, мишень бомбардируется потоком ионов из разряда с энергией до 2 кэВ. В этом режиме возрастает электронная плотность плазмы (в 1,5 - 3 раза по отношению к обычной схеме) и понижается потенциал плазмы относительно стенок камеры. Для управления плотностью и энергией потока ионов подавалось осциллирующее напряжение на подложку либо на специальный модулирующий электрод –см. рис.1. Данная модификация плазмохимического реактора для осаждения алмазоподобных (DLC) пленок отличается от известных методов простотой управления энергетическими характеристиками ионного потока, воздействующего на пленку в процессе осаждения. Получены образцы DLC пленок на металлических подложках. Методом зарядовой релаксационной спектроскопии выявлен эффект влияния адсорбированных паров воды и спирта на электрофизические свойства пленок, что свидетельствует о возможности использования полученных пленок в качестве активного адсорбирующего материала для химических сенсоров [13]. 3. Получение графена (работа выполнена совместно с лабораторией 184) Выделенный недавно в свободном виде при нормальных условиях монослой графита - графен продемонстрировал уникальные физические свойства двумерной системы, содержащей безмассовые носители – дираковские фермионы, а также высокие потенциальные прикладные возможности для создания полевых транзисторов нового поколения, прозрачных проводящих электродов и т.д. Первые образцы графена, полученные механическим отщеплением от графита, имели латеральный размер порядка нескольких микрон и могли быть использованы только для лабораторных исследований. Практическая реализация наноструктур на основе графена в электронике и оптоэлектронике поставила вопрос получения образцов высококачественного графена большой площади. Значительный прогресс было достигнут недавно с помощью метода химического осаждения графена из газовой фазы (CVD-метод) на Ni-подложку с последующим перенесением его на произвольную подложку. Хотя полученные таким образом сплошные графеновые пленки имеют большую площадь, микроскопически они имеют значительный разброс по толщине от десяти до одного графенового слоя. Соответствующие домены одно- и двуслойного графена имеют латеральные размеры , не превышающие 0,5 мкм. В работе [14] предложен альтернативный способ получения графеновых пленок путем бездефектного утонения тонких монокристаллов графита в пучково-плазменном разряде. Перспективность этого метода определяется высоким структурным совершенством и большой площадью исходных утоняемых монокристаллов графита. Кристаллы графита толщиной 30-100 нм с латеральными размерами до 1 мм получались отщеплением от монокристаллов естественного графита с помощью адгезионной ленты. Клеевая основа ленты затем растворялась в ацетоне, и тонкий кристалл оказывался свободно плавающем в растворителе. На следующем этапе кристалл переносился на подложку. На последнем этапе кристалл утонялся с помощью плазменного травления. Травление производилось в пучково-плазменном реакторе. Энергия ионов аргона составляла 60-80 эВ на начальной стадии травления и уменьшалась до 20 эВ на заключительной стадии, что обеспечивало бездефектный мягкий режим травления со скоростью на начальной стадии около 10 нм/час, на заключительной стадии – 1 монослой за ~10 мин. Контроль толщины пленок осуществлялся по их сопротивлению in situ в камере плазменного реактора. Травление прекращалось при поверхностном сопротивлении квадрата пленки ~ 1 кОм, соответствующем проводимости 1-2-слойного графена. Сканирование локальных рамановских спектров с шагом 0.2 мкм показало высокое структурное совершенство полученных таким образом 1-2-слойных пленок графена (рис.2) и их однородность по толщине на большой площади, превышающей 100*100 мкм2. Получены также образцы графена размера ~1 мм с единичными наноструктурами, позволяющие обнаружить и исследовать квантовые интерференционные эффекты. Метод получения, таким образом, одно- двухатомных слоев может быть распространен и на другие слоистые материалы. Подлежащий утонению монокристалл может быть в принципе нанесен на любую подложку. Поэтому предложенный метод может быть реализован также на любых подложках, включая гибкие. 4. Исследование структуры и свойств пристеночной плазмы в плазменном реакторе. При изготовлении наноэлектронных устройств обычные плазменные технологии сталкиваются с неизбежными проблемами в том числе с увеличивающейся ролью накопления заряда на поверхности при обработке. Понимание влияния зарядки поверхности на процесс плазменной обработки и на результирующую топологию структур масштаба миллимикрона является ключом к достижению необходимого уровня точности и качества функциональных возможностей устройств. Разработана модель, позволяющая проводить компьютерное моделирование пристеночной области плоского плазменного слоя в условиях, где устойчивое состояние плазмы поддерживается ее воспроизводством в центральной части слоя. Вычисления показали эффект изменения энергетического распределения электронов во времени и по толщине слоя (охлаждение электронного компонента) из-за поглощения быстрых электронов на стенках, ограничивающих плазменный объем. Показано, что профиль плотности плазме по ширине слоя имеет резкий спад на границе области воспроизводства. Таким образом, общепринятая концепция плазменного слоя и предслоя, основанная на предположении о стабильности максвелловского энергетического распределении для электронов в предслое, приводит к неточным результатам. Проведено компьютерное моделирование эффекта накопления заряда на процесс воздействия плазмы на структуры типа «микропроводник на изоляторе». Моделирование было выполнено с использованием кода KARAT. Важная особенность модели - поперечный размер проводника намного меньше, чем радиус Дебая окружающей плазмы. Разработанная алгоритмическая модель позволяет наблюдать, как пространственное и энергетическое распределение ионов, бомбардирующих проводника, меняются в результате накопления заряда на окружающем диэлектрике [15].
Схема пучково-плазменного реактора
Основные публикации. Статьи:
Доклады на международных конференциях:
Патенты:
|
 | ||
 |  | |
