Умножитель частоты на плазмонном механизме нелинейности

Авторы патента:

Владельцы патента RU 2401479:

Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА РАН (ИФТТ РАН) (RU)

Изобретение относится к области твердотельных умножителей частоты электромагнитного излучения, работающих в гигагерцовом-терагерцовом диапазонах частот. Умножитель частоты на плазменном механизме нелинейности включает генератор опорной частоты, систему охлаждения, нелинейный рабочий элемент, источник магнитного поля, при этом нелинейным рабочим элементом является полупроводниковая наноструктура с антенной системой на поверхности кристалла и с двумерным заряженным слоем, включающим дефект/дефекты, представляющие собой любую неоднородность в топологии или параметрах двумерного заряженного слоя или его диэлектрического окружения. Технический результат - увеличение эффективности преобразования умножителя частоты, а также уменьшение его габаритных размеров. 3 ил.

Настоящее изобретение относится к области твердотельных умножителей частоты электромагнитного излучения, работающих в гигагерцовом-терагерцовом диапазонах частот. Изобретение представляет собой умножитель частоты, работающий по принципу умножения частоты опорного генератора на нелинейности магнитоплазменого отклика двумерных заряженных систем. Изобретение может использоваться в разнообразных областях науки и техники: молекулярной спектроскопии, космических исследованиях, биологии, медицинской томографии, системах высокочастотной беспроводной связи.

Известен умножитель частоты, в котором в качестве нелинейного рабочего элемента используется двумерная углеродная пленка - графен. Принцип действия умножителя основан на сильно нелинейном спектре электронов в двумерных углеродных пленках. Апробация прибора выявила эффективность преобразования опорного сигнала во вторую гармонику 90% (20 кГц). Однако из-за малой подвижности электронов в графене частотный диапазон работы умножителей частоты на графене пока ограничивается радиоволнами (Н.Wang, D.Nezich, J.Kong, T.Palacios. "Graphene Frequency Multipliers", IEEE Electron Device Letters, vol.30, p.547 (2009)).

Известен умножитель частоты, в котором в качестве нелинейного рабочего элемента используется квантово-ямный диод. Принцип работы изобретения основан на сильно нелинейных вольт-амперной (I-V) и фарад-вольтной (C-V) характеристиках прибора. Нелинейность этих характеристик вызвана резонансным туннелированием носителей заряда через потенциальный барьер, образованный квантовой ямой. Работа квантово-ямного диода была опробована для генерации третьей гармоники опорного сигнала (191 ГГц). Эффективность преобразования составила 8% (Т.Sollner, W.Goodhue, P.Tannenwald, С.Parker, D.Peck. "Resonant Tunneling Through Quantum Wells at Frequencies up to 2.5 GHz", Applied Physics Letters, vol.43, p.588 (1983)).

Известны умножители частоты, в которых в качестве нелинейного рабочего элемента используется диод Шоттки (в особенности эффективным оказывается разновидность диода - варактор). В таких устройствах генератором опорной частоты чаще всего выступает мощный индий-фосфорный (InP) генератор Ганна (50-100 мВт) на частоте 100 ГГц. Пиковые мощности для таких устройств составляют 20 мкВт (700 ГГц), 0.5 мВт (500 ГГц), 5 мВт (300 ГГц). Рекордные показатели эффективности преобразования опорного сигнала во вторую гармонику равняются 45% (80-100 ГГц), в третью 28% (100-115 ГГц), в четвертую 11% (140-155 ГГц), в пятую 4.2% (165-170 ГГц). Однако характерный размер диода Шоттки составляет 100 мкм, что делает затруднительным его производство в стандартном планарном полупроводниковом цикле. Для эффективной работы умножителя частоты на базе диода Шоттки может применяться его охлаждение (Antti V. Raisanen, "Frequency Multipliers for Millimeter and Submillimeter Wavelengths", Proceedings of the IEEE, vol.80, p.1842 (1992)).

Данное устройство наиболее близко по конструкции к заявляемому гетеродинному спектрометру, поэтому взято в качестве прототипа.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в увеличении эффективности преобразования умножителя частоты, а также уменьшении его габаритных размеров.

Для достижения данного технического результата заявляемый умножитель частоты включает генератор опорной частоты, систему охлаждения, нелинейный рабочий элемент, представляющий собой полупроводниковую наноструктуру с двумерным заряженным слоем, в который добавляются дефект/дефекты. Дефектом является любая неоднородность в топологии или параметрах двумерной электронной системы или ее диэлектрического окружения. Кроме этого, нелинейный рабочий элемент включает в себя антенную систему для согласования излучения опорной частоты с плазменными волнами в двумерном заряженном слое и для эффективной генерации излучения на кратных гармониках в свободное пространство. Для достижения оптимальных рабочих характеристик прибор может помещаться в магнитное поле, перпендикулярное плоскости двумерного заряженного слоя. За счет использования в качестве нелинейного рабочего элемента полупроводниковой наноструктуры характерные размеры элемента уменьшаются с 100-10 мкм (прототип) до 1-0.1 мкм.

Признаки, отличающие предлагаемый умножитель частоты от прототип, - наличие особого нелинейного элемента, состоящего из полупроводниковой наноструктуры с дефектом/дефектами различного типа. Дефектом является любая неоднородность в топологии или параметрах двумерной электронной системы или ее диэлектрического окружения (неоднородность концентрации в заряженном слое, поверхностные дефекты наноструктуры, изменение геометрических размеров двумерного заряженного слоя и т.д.). Неоднородность концентрации в заряженном слое можно создавать, например, путем выборочного жидкого травления части поверхности полупроводникового кристалла, приводящему к удалению части доноров, поставляющих носителей заряда в двумерный слой. Также отличительным признаком изобретения является возможное функционирование прибора в магнитном поле, перпендикулярном плоскости двумерного заряженного слоя и его миниатюрность. Миниатюрность рабочего элемента обеспечивается использованием полупроводниковой наноструктуры, имеющей небольшие размеры. Для эффективной работы прибора необходима система охлаждения (например, азотное или Пельтье-охлаждение).

На фиг.1 приведена принципиальная схема предлагаемого умножителя частоты.

Умножитель частоты содержит нелинейный рабочий элемент 1, представляющий полупроводниковую наноструктуру как минимум с одним дефектом 2 к двумерному заряженному слою 3. В данном случае дефект 2 представляет собой резкое сужение двумерного заряженного слоя. Также умножитель частоты содержит генератор 4 опорной частоты f₀. Для согласования излучения опорной частоты f₀ с плазменными волнами в двумерном заряженном слое 3 и для эффективной генерации излучения 8 на кратных гармониках в свободное пространство. Также нелинейный рабочий элемент включает в себя антенную систему 5. Поскольку заявляемый умножитель частоты работает при пониженных температурах, то прибор включает в себя систему охлаждения 6 (например, азотное или Пельтье-охлаждение). Прибор включает в себя источник магнитного поля 7.

Принцип действия заявляемого умножителя частоты основан на плазменном механизме нелинейности. Излучение с частотой f₀ от опорного генератора 4 посредством антенн 5 возбуждает плазменные волны, распространяющиеся в двумерном заряженном слое 3. В присутствии магнитного поля в системе возбуждаются магнитоплазменные волны. Плазменные волны, возбужденные в области между антенной 5 и дефектом 2 образуют сложное распределение электрических полей внутри нелинейного рабочего элемента 1. Амплитуда этих полей зависит от отношения L (линейный размер между антенной 5 и дефектом 2) к длине волны плазмона, которая зависит от частоты падающего излучения, магнитного поля и концентрации носителей заряда в слое. В рабочем режиме магнитное поле от источника 7 подбирается таким образом, что амплитуда электрических полей внутри прибора на частоте опорного генератора 4 максимальна. Переменные плазменные электрические поля выпрямляются за счет нелинейного поведения рабочего элемента, которое вызвано нелинейностью, связанной с наличием в системе дефекта/дефектов различного типа. Выпрямление переменного потенциала плазменной волны приводит к генерации излучения в свободное пространство на кратных частотах 2f₀, 3f₀, 4f₀…

В тестовых экспериментах использовалась структура в форме полоски с размером области для интерференции магнитоплазмонов L=0.2 мм (расстояние от одной из антенн 5 до дефекта 2). Концентрация (n_S) и подвижность носителей заряда (электронов - µ) в двумерном слое при гелиевой температуре (4.2 К) составляли n_S=1.4×10¹¹ см^-2 и µ=10⁶ см²/В с. Частота опорного генератора составляла f₀=7.5 ГГц. Излучение на кратных гармониках опорного сигнала по волноводному тракту подавалось на вход прибора для измерения спектров. На фиг.2 представлены спектры генерируемого нелинейным элементом 1 излучения на гармониках 2f₀, 3f₀, 4f₀, 5f₀. Эффективность преобразования мощности излучения от опорного генератора 4 в излучение второй гармоники (2f₀) составила 10%, что является сравнимой величиной с существующими аналогами. Мощность излучения на третьей гармонике (3f₀) примерно в два раза меньше чем на второй (2f₀), а на четвертой (4f₀) примерно в десять раз меньше чем на второй (2f₀). Следует заметить, что в отсутствие дефекта 2 в двумерном заряженном слое 3 не наблюдалось излучение на кратных гармониках, что подтверждает доминирующее значение дефекта/дефектов в формировании нелинейного отклика заявляемого устройства. Эксперименты были проведены при температуре на рабочем нелинейном элементе 4.2 К и магнитном поле 0.5 Т. На вставке к фиг.2 показана температурная зависимость генерируемой на второй гармонике (2f₀) мощности излучения. При выбранных тестовых параметрах двумерного заряженного слоя максимальная рабочая температура устройства составила 180 К. На фиг.3 представлена зависимость величины сигнала на второй гармонике (2f₀) от типа дефекта 2. Дефекты изменялись путем увеличения величины сужения двумерного заряженного слоя 3.

Умножитель частоты на плазмонном механизме нелинейности, включающий генератор опорной частоты, систему охлаждения, нелинейный рабочий элемент, отличающийся наличием источника магнитного поля и тем, что нелинейным рабочим элементом является полупроводниковая наноструктура с антенной системой на поверхности кристалла и с двумерным заряженным слоем, включающим дефект/дефекты, представляющие собой любую неоднородность в топологии или параметрах двумерного заряженного слоя или его диэлектрического окружения.

Изобретение относится к вакуумной электронике и может быть использовано в клистронах, мощных СВЧ лампах и устройствах защиты от мощных СВЧ импульсов. .

Фотоумножитель // 2368978

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для регистрации слабых световых сигналов в исследованиях по физике высоких энергий, ядерной физике и может применяться в радиационной медицине, оптике и в других различных технических приложениях.

Способ коррекции частотной характеристики фотоэлектронного умножителя // 2263368

Изобретение относится к области измерительной техники. .

Усилитель электронного потока // 2222072

Изобретение относится к вакуумной электронике и может быть использовано в электронно-оптических преобразователях (ЭОП). .

Усилитель электронного потока // 2221309

Изобретение относится к электронной оптике и может быть использовано в электронно-оптических преобразователях (ЭОП). .

Способ изготовления спектрометрического фотоэлектронного умножителя // 2056667

Фотоэлектронный умножитель // 2046446

Изобретение относится к ядерной физике и физике высоких энергий, в частности к фотоэлектронным умножителям (ФЭУ). .

Двухканальный фотоэлектронный умножитель // 1825230

Электронный умножитель // 1780128

Многоканальный фотоэлектронный умножитель // 1612857

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано при проектировании координатно-чувствительных фотоэлектронных умножителей. .

Способ измерения фактора шума микроканальной пластины // 2503081

Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа измерения фактора шума микроканальной пластины. Способ включает снятие сигнала со всей площади люминесцентного экрана, который осуществляется в процессе изготовления МКП, регистрацию сигнала каждого импульса с выхода МКП, его усиление и подачу на многоканальный амплитудный анализатор импульсов. Сигналы анализируют по амплитудам и определяют коэффициент вариации усиления микроканальной пластины, пропорциональный фактору шума. Технический результат заключается в повышении точности измерений и обеспечении возможности контроля фактора шума микроканальной пластины в процессе ее изготовления. 2 ил.

Электронный умножитель // 2547456

Изобретение относится к электронной технике, в частности к конструкции структуры вторично-электронного умножителя, и может быть использовано в масс-спектрометрах времяпролетного типа и для регистрации слабых потоков импульсных заряженных частиц. Электронный умножитель содержит коллектор и пять динодов, подключенных к источнику постоянного напряжения через общий делитель напряжения. Новым в электронном умножителе является то, что используется шевронное соединение двух микроканальных пластин, отсутствуют электроды с потенциалами перед электронным умножителем. Коэффициент усиления составляет 108-109 при напряжении питания 2,8-3,2 кВ. Временное разрешение рельефа импульса тока 3 нс. Крепление и схема питания аналогично выпускаемому электронному умножителю ВЭУ-1. Техничексий результат - повышение временного разрешения и упрощение схемы питания. 1 ил.

Активный делитель напряжения фотоэлектронного устройства с измерительной схемой // 2570170

Изобретение относится к области электронной техники в частности, к фотоэлектронному умножителю (ФЭУ), который используется для регистрации оптического сигнала в широком диапазоне световых потоков без возникновения нелинейных искажений. Активный делитель напряжения фотоэлектронного устройства с измерительной содержит высоковольтный источник питания, систему электродов, состоящую из фотокатода, n динодов и анода, блок делителей напряжения, подключенный к системе электродов и состоящий из транзисторного, к каждому транзистору которого подключен ограничивающий напряжение элемент, резистивного и двух емкостных делителей, при этом к транзисторному и резистивному делителям напряжения подключены два измерительных контура регистрации импульсного и непрерывного оптического излучений, причем отрицательный электрод источника питания подключен к фотокатоду, а положительный соответственно к аноду. Система электродов с блоком делителей напряжения соединена через токовое зеркало, которое подключено к последнему диноду и положительному электроду высоковольтного источника питания, а в качестве измерительного контура регистрации непрерывного оптического излучения применен инструментальный усилитель, включенный в диагональ моста, образованного транзисторным и резистивным делителями и их токовыми шунтами, в качестве которых применены резисторы, подключенные к нулевой шине высоковольтного источника питания. Технический результат - расширение функциональных возможностей за счет увеличения линейной области фотоэлектронного устройства вплоть до предельного анодного тока при минимальном коэффициенте нелинейных искажений, при одновременном расширении рабочей полосы частот, а также высокой температурной стабильности во всем рабочем температурном диапазоне. Дополнительный технический результат - повышение надежности устройства за счет снижения тепловой нагрузки на элементы делителей напряжений, вследствие чего не требуется отвод тепла от них и использование высоковольтных источников питания большой мощности. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

Фотоумножитель // 2587469

Изобретение относится к области электронной техники. Фотоумножитель состоит из стеклянного прозрачного корпуса, сформованного методом вакуумной калибровки из стеклянной трубки диаметром в несколько см. Две грани корпуса (1) и противоположная ей - плоские, остальные две (2, 3) имеют исходный радиус. На внутренней поверхности одной из граней с исходным радиусом сформирован протяженный бищелочной фотокатод (4) с размерами активной области 10×200 мм2. Динодная система линейного типа состоит из 11 протяженных напыленных динодов (8-18). Анодная система состоит из 20 анодов (19), каждый длиной 10 мм, расположенных под динодной системой вдоль направления протяженности фотокатода, и динодов. Фокусирующий электрод, диноды и аноды крепятся к керамическим пластинам поддержки. При засветке фотокатода выбитые из него фотоэлектроны (25) под действием электрического поля ускоряются в направлении динодной системы. Благодаря малой глубине динодной системы (около 30 мм) и относительно высоким электрическим полям в междинодных промежутках ширина электронного потока на последнем диноде оказывается значительно меньше 10 мм ширины анода, т.е. один такой прибор эквивалентен 20 дискретным фотоумножителям. Технический результат - упрощение конструкции годоскопов и повышение пространственного разрешения фотодетектора. 3 ил.

Способ изготовления фотоэлектронного прибора // 2616973

Изобретение относится к электровакуумной технике, к технологии изготовления фотоэлектронных приборов (ФЭП), содержащих одну или несколько микроканальных пластин (МКП). Технический результат - увеличение срока службы ФЭП без ионно-барьерной пленки. В способе изготовления фотоэлектронного прибора, включающем изготовление корпуса прибора, катодного узла, коллектора электронов, монтаж внутренних деталей и узлов, сварку узлов прибора, загрузку всех узлов в высоковакуумную установку финишной сборки, откачку всей системы, термическое обезгаживание всех узлов в вакууме, электронное обезгаживание МКП и коллектора электронов в вакууме, изготовление фотокатода на катодном узле, герметизацию прибора, выгрузку ФЭП из установки финишной сборки, после загрузки в высоковакуумную установку финишной сборки катодного узла, корпуса с микроканальными пластинами и коллектора электронов осуществляют откачку всей системы до давления не более 10-8 Па, термическое обезгаживание всех узлов в вакууме в течение не менее 4 ч при температуре от 300 до 400°С, электронное обезгаживание МКП и коллектора электронов, для чего в течение не менее 30 сек при температуре от 0 до 400°С направляют электронный поток от входа к выходу МКП и далее на коллектор электронов, после чего корпус с МКП при помощи манипулятора переворачивают и направляют электронный поток от выхода к входу МКП и далее на коллектор электронов, синхронно меняя полярность напряжения питания между входом и выходом МКП, выдерживают в течение не менее 30 сек, снова переворачивают корпус с МКП, меняя полярность напряжения, и повторяют так в течение не менее 2 ч до полного обезгаживания МКП, постепенно увеличивая напряжение на МКП и выходной ток МКП до значений, не ухудшающих параметры МКП, после чего формируют фотокатод на катодном узле и далее корпус с МКП устанавливают на коллектор электронов, а катодный узел на корпус и выполняют герметизацию прибора. 2 ил.

Способ изготовления фотоэлектронного прибора // 2624910

Изобретение относится к электровакуумной технике, в частности к технологии изготовления фотоэлектронных приборов (ФЭП), содержащих одну или несколько микроканальных пластин (МКП). Технический результат - увеличение срока службы ФЭП без ионно-барьерной пленки. Способ изготовления фотоэлектронного прибора включает изготовление корпуса прибора, катодного узла, коллектора электронов, монтаж внутренних деталей и узлов, сварку узлов прибора, загрузку всех узлов в высоковакуумную установку финишной сборки, откачку всей системы, термическое обезгаживание всех узлов в вакууме, электронное обезгаживание МКП и коллектора электронов в вакууме, изготовление фотокатода на катодном узле, герметизацию прибора, выгрузку ФЭП из установки финишной сборки. После загрузки в высоковакуумную установку финишной сборки катодного узла, корпуса с микроканальными пластинами и коллектора электронов, корпус с МКП и коллектор электронов разносят друг от друга и осуществляют откачку всей системы до давления не более 10-8 Па, термическое обезгаживание всех узлов в вакууме в течение не менее 4 ч при температуре от 300 до 400°С, раздельно выполняют одностороннее электронное обезгаживание в течение не менее 2 ч при температуре от 0 до 400°С коллектора электронов направленным на него потоком электронов и двустороннее электронное обезгаживание МКП при той же температуре, для чего в течение не менее 2 ч попеременно включают и выключают источники возбуждения вторичных электронов в МКП, расположенные перед входом и выходом МКП, и тем самым электронный поток направляют от входа к выходу МКП и, наоборот, от выхода к входу МКП, синхронно меняя полярность напряжения питания между входом и выходом МКП и постепенно увеличивая напряжение на МКП и выходной ток МКП до значений, не ухудшающих параметры МКП, после чего формируют фотокатод на катодном узле и далее корпус с МКП устанавливают на коллектор электронов, а катодный узел - на корпус, и выполняют герметизацию прибора. 2 ил.