Болометрические детекторы

Болометрические приемники терагерцового диапазона

Болометрические приемники терагерцового диапазона
Болометрические приемники терагерцового диапазона

Предриятием накоплен значительный опыт разработки и производства микроболометров для тепловизионной техники. Тепловизионные болометрические модули выпускаются ОКБ «АСТРОН» серийно на разрешение 388×256, 640×480. На основе именно опыта производства болометрических многоэлементных приемников для тепловизионного диапазона научно-исследовательские коллективы предприятия предполагают добиться успехов в разработке и освоении болометрических приемников терагерцового диапазона волн.

Одними из наиболее эффективных приемников в субмиллиметровом диапазоне длин волн являются болометры – устройства, у которых чувствительным элементом является поглотитель, нагревающийся под действием излучения. Нагревание для приемников терагерцового диапазона производится радиоволнами этого диапазона при отсечении всех остальных диапазонов. Изменение температуры поглотителя измеряется с помощью какого-либо термометра. Поглощенная мощность отводится через термическую связь в тепловой сток, температура которого поддерживается постоянной. В качестве высокочувствительного термометра в болометрах может использоваться сверхпроводниковый сенсор на краю перехода, термически связанный с поглотителем. Электрическое сопротивление такого термометра вблизи Тк чрезвычайно сильно зависит от температуры. Измеряя токовый отклик в таком термометре с помощью малошумящего СКВИД — усилителя можно добиться высокой чувствительности.

Различают два типа сверхпроводниковых болометров:

  1. детекторы с СКП, подвешенные на мембранах или на тонких нитях для улучшения теплоизоляции поглотителя;
  2. детекторы, с СКП, включенным в антенну и разогреваемым напрямую током сигнала субмиллиметрового диапазона.

В случае детекторов на мембранах, объем поглотителя, а значит, и его теплоемкость нельзя уменьшить ниже некоторого предела связанного с длиной волны поглощаемого излучения. Чувствительность таких болометров, даже теоретически, заметно ниже, чем у болометров, включенных в антенну. Во втором случае поглотитель и СКП — термометр совмещены в одном элементе малых размеров, а излучение подводится от антенны через микрополосковые и копланарные линии. В таких болометрах рабочим телом поглотителя является электронный газ. При низких температурах в сверхпроводнике электроны слабо взаимодействуют с решеткой, и поэтому при поглощении излучения электронный газ разогревается до температуры выше температуры решетки. Такие детекторы ещё называются болометрами на «горячих электронах». Критическая температура перехода СКП, если он представляет из себя однослойную структуру, может быть подобрана под диапазон работы рефрижератора путем уменьшения толщины пленки. В этом случае проявляется размерный эффект, заключающийся в уменьшении критической температуры сверхпроводника при уменьшении толщины пленки.

Разработанная технология изготовления сверхпроводниковых микроструктур, а так же технология изготовления интегрального чипа одиночного приемного элемента позволят создавать сверхчувствительные матрицы болометров для пассивной радиолокации на частотах терагерцового диапазона (0,3 – 0,7 ТГц). Такие матрицы могут стать основой изображающих радиометров для наземных и космических астрономических комплексов, систем безопасности (обнаружение скрытого оружия, взрывчатки и др. под одеждой), медицинской диагностики, контроля окружающей среды и различной продукции.

Разработанная технология изготовления неохлаждаемых детекторов позволит создавать болометры, работающие при комнатной температуре. В отличие от гетеродинных приемников схема смещения и считывания сигналов в приемниках на основе таких болометров намного проще и дешевле, поскольку не содержит дорогих СВЧ элементов.Чувствительность болометров примерно соответствует чувствительности оптико-акустического преобразователя (ячейки Голея) в составе ЛОВ-спектрометра, но в отличие от нее неохлаждаемые тонкопленочные монолитные болометры надежнее и проще в изготовлении. Чувствительности предлагаемых комнатных болометров предположительно должно хватить для применения в активных системах радиовидения, при наличии терагерцовой подсветки.