ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ С МАЛЫМ ПОГЛОЩЕНИЕМ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР

January 24, 2013 by admin Комментировать »

Деркач В. Н., Головащенко Р. В., Горошко Е. В., НедухС. В., Таранов С. И. Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины ул. Ак. Проскуры, 12, Харьков, 61085, Украина тел: 8(057)-7203-463, e-mail: derkach@ire.l<harl<ov.ua

Аннотация – Описана работа криодиэлектрометра, предназначенного для измерения диэлектрических параметров материалов с малым поглощением в миллиметро- вом диапазоне длин волн. Анализируются зависимости тангенса угла потерь от температуры для ряда диэлектрических и полупроводниковых материалов в диапазоне частот 40-80 ГГц и диапазоне температур 0.85-300 К.

I.                                       Введение

Задача исследования малых и сверхмалых диэлектрических потерь в области сверхвысоких частот представляет значительный интерес для специалистов, занимающихся проблемами термоядерного синтеза и вакуумной электроники больших мощностей, где остро ощущается необходимость в радиопрозрачных материалах с уникальными свойствами. Синтез таких материалов предполагает одновременное исследование их свойств и выяснение механизмов, обуславливающих поглощение электромагнитной энергии в данном материале [1]. Особый интерес представляет исследование поглощения СВЧ энергии в материалах при сверхнизких температурах (ниже 4.2 К), при отсутствии тепловых колебаний решетки.

Одним из наиболее точных методов измерения комплексной диэлектрической проницаемости материалов с малыми потерями является метод диэлектрического резонатора на модах шепчущей галереи (ДР на МШГ) [2]. При этом открытый ДР в виде диска, кольца или шара изготавливается из исследуемого материала. Дифракционные потери такого резонатора пренебрежимо малы и основные потери электромагнитной энергии связаны с поглощением в исследуемом материале.

II.                              Основная часть

в общем случае собственная добротность Qo дискового диэлектрического резонатора ДДР определяется суммой индивидуальных потерь в резонаторе: 1/Qo = pd -1аП(У + 1/Оо +1/0л , где 1/Qo и 1/Ол – потери на связь и дифракционные, pd – энергетический коэффициент заполнения ДДР и tan <5 – тангенс угла потерь в измеряемом материале [2]. Моды шепчущей галереи (МШГ) имеют большое число вариаций поля в азимутальном направлении и ограничивают большой процент поля в пределах диэлектрика. Для достаточно высокого азимутального индекса моды потери на излучение становятся незначительными и коэффициент заполнения близок единице. Тангенс угла потерь для образца, может быть рассчитан просто инверсией собственной добротности Qo (tan (У = 1/Qo ). При этом геометрические параметры резонатора должны удовлетворять следующим условиям:

где d и Л – диаметр и толщина диска, т

–   число вариаций поля по азимуту диска, Яо – длина волны в свободном пространстве, ε – диэлектрическая проницаемость материала. Собственная добротность Qo резонатора на МШГ достаточно точно определяется из измерений нагруженной добротности резонатора Qn и коэффициента связи.

Метод наиболее удобен для использования в миллиметровом диапазоне длин волн, поскольку размеры ДР сравнимы с длиной волны (5 – ΙΟλο) и такой ДР, изготовленный из исследуемого материала, может быть помешен в рабочую камеру криогенной системы, имеющую небольшие размеры.

Для проведения измерений в диапазоне температур 0.85-300 К был изготовлен криогенный комплекс, состоящий из рефрижератора ®Не, построенного по схеме «top-loading refrigerator», позволяющей производить смену образца без повышения температуры рабочей камеры [3], и сменных электродинамических модулей, предназначенных для подведения высокочастотной энергии к диэлектрическому резонатору. |/1сследуемые ДР изготовлялись с оптической точностью из исследуемого материала в виде сплошного диска. Образец находился в вакуумированной камере, которая обеспечивала возможность плавного изменения температуры от 0.8 К до 300 К. В качестве элементов возбуждения использовались одномодовые прямоугольные диэлектрические волноводы.

Были исследованы ДДР из таких материалов, как: поликор, алунд, лейкосапфир, кварц, CVD алмаз, кальцит, флюорит, кремний, германий, кремний, легированный золотом, фосфид индия, фосфид галлия, арсенид галлия, антимонид индия и другие.

Резонансные характеристики исследуемых ДДР предварительно исследовались при комнатной температуре. Спектральные характеристики колебаний регистрировались с помощью аппаратно-программного комплекса (АПК). Высокодобротные колебания шепчущей галереи с одной вариацией поля вдоль радиуса резонатора EHmis) и большим числом вариаций поля в азимутальном направлении (т=16-24) выбирались в качестве рабочих.

Экспериментальные результаты для разных исследованных образцов приведены на рис. 1. У чистых полупроводников Si и Ge концентрация носителей существенно повышается уже при температуре 25-30 К, при этом диэлектрические потери возрастают и как следствие – уменьшение добротности и потеря резонансных свойств ДДР. Наименьшие потери электромагнитной энергии в широком диапазоне температур наблюдались в кремнии, легированном золотом (Si: Au). При сверхнизких температурах малым поглощением обладали также InP, GaAs, GaP. Немонотонные кривые свидетельствуют о конкуренции механизмов, которые отвечают за поглощение электромагнитной энергии в веществах. Некоторый интерес представляют природные материалы и их монокристаллические формы. Наименьшее значение тангенса угла потерь среди природных материалов при низких температурах зарегистрировано у топаза.

Немонотонность характеристик в диапазоне температур 1.2-120 К свидетельствует о разных конкурирующих механизмах потерь в кристалле топаза. CVD алмазы успешно используются в качестве окон вывода высокочастотной энергии мощных гиротронов. Для алмазов различных производителей потери существенно не отличались при комнатной температуре. Однако разность четко наблюдается при температурах ниже 50 К. Поведение кривых изменения tan (5 в зависимости от температуры качественно отвечает результатам измерений, описанных другими исследователями, например, в [2].

Рис. 1. Температурные зависимости тангенса угла потерь для ряда диэлектриков.

Fig. 1. Loss tangent versus temperature for some dielectrics

III.                                   Заключение

Разработан и создан криогенный комплекс для исследования диэлектрических параметров материалов в широком интервале температур в миллиметровом диапазоне длин волн. Проведено измерение тангенса угла потерь ряда перспективных искусственных и природных материалов в 4-х миллиметровом диапазоне длин волн с помощью метода ДДР на МШГ.

Анализ полученных результатов позволит установить механизмы поглощения для каждого конкретного материала. На основе такого анализа возможно совершенствование технологии изготовления того или другого материала.

Работа выполнена при частичной поддержке УНТЦ, проект № 1916.

IV.                           Список литературы

[1]  Garin В. М., Parshin V. V. et al. Losses in diamond in the millimeter range. Techn. Phys Lett, 1999, 25, p. 288-289.

[2]  Krupka J., Derzakowski Κ., Abramowicz A. et al. Use of whispering-gallery modes for complex permittivity determinations of ultra-low-loss dielectric materials. IEEE Trans, on MTT, 1999,47, p. 752-759.

[3]  Головащенко P. В., Деркач В. Η., Корж В. Г. и др. Криогенный комплекс для измерения сверхмалых потерь в диэлектриках в миллиметровом диапазоне длин волн. – В кн.: 13-я Междунар. Крымская конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2003). Материалы конф. [Севастополь, 8-12 сент. 2003 г.]. – Севастополь: Вебер, 2003, с. 679-680.

INVESTIGATION OF THE LOW-LOSS DIELECTRIC MATERIALS IN THE WIDE TEMPERATURE RANGE

Derkach V. N., Golovashchenko R. V.,

Goroshko O. V., Nedukh S. V., Tarapov S. I.

Usikov Institute for Radiophysics and Electronics of NAS of Ukraine 12 Ac. Proskura St., Kharkov, 61085, Ukraine Ph.: 8(057)-7203-463, e-mail: derkach@ire.kharkov.ua

Abstract – The operational regimes of cryodielectrometer designed for measurement the dielectric parameters of materials with small dissipation in millimeter waveband is described. Dependences of loss tangent on temperature for some dielectric and semiconductor materials in frequency band 40-80 GHz and temperature range 0.85-300 К are analyzed.

I.                                         Introduction

The problem of investigation of low and ultra low dielectric losses at extra high frequencies represents the considerable interest for the experts, who work with the radiotransparent materials with unique properties. Synthesis of such materials entailed the simultaneous investigation of dielectric properties and clarifying ofthe mechanisms causing dissipation.

One ofthe most precise techniques of measurement of complex permittivity of materials with low dielectric losses is the technique of dielectric resonator with whispering gallery modes (WGM DR). Thus, the open DR as a disk, ring or sphere is made of material under test. The diffraction losses of such resonator are negligible small and the basic losses of electromagnetic energy are determined by dissipation in material under test.

II.                                        Main Part

Whispering gallery modes (WGM) have the large number of field variations in azimuthal direction and confine the large percent of field energy inside the dielectric. The losses on radiation become insignificant and the filling factor is close to unity for enough high azimuthal modal indexes. The loss tangent of a sample can be defined simply by the inversion of Q-factor (Qo). The technique is most convenient for use at millimeter waves as the sizes of DR are comparable to the length of a wave and such DR made of material under test, can be placed in the working chamber ofthe cryogenic system having the small sizes.

The cryogenic complex consisting of the refrigerator ^He under the circuit «top-loading refrigerator» is design for carrying out of measurements in the temperature range 0.85-300 K. The disk dielectric resonators (DDRs) were manufactured with the optical accuracy of materials under test. The DDR was placed in the vacuumize chamber which provided an opportunity ofthe smooth change of temperature. Experimental results for the different investigated samples are presented as tables and graphs. The lowest losses of energy in a wide temperature range were observed in the gold doped by silicon (Si: Au). At ul- tralow temperatures InP, GaAs and GaP had small absorption too. Non-monotonic curves are testimony to a competition of mechanisms which are responsible for absorption (losses) of electromagnetic energy For CVD diamonds of two manufacturers the losses essentially differed at low temperatures and practically identical at T=300 K. The behavior of curves tani? depending on temperature is in qualitative agreement with the results ofthe measurements presented by other researchers.

III.                                       Conclusion

The cryogenic complex for investigation of dielectric parameters of materials at wide temperature range at millimeter waves is designed and created. Measurement of loss tangent of some promising technical and natural materials in 4-millimeter wavelength band by using of WGM DDR is carried out.

The analysis ofthe obtained results will allow elucidatmTn the mechanisms of absorption for concrete material. On the basis of analysis an improvement of manufacture technology is possible.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты