МИКРОВОЛНОВЫЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ВТСП И РОДСТВЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ СКОЛЬЗЯЩИХ УГЛАХ ПАДЕНИЯ

February 6, 2013 by admin Комментировать »

Губин А. И., Лавринович А. А., Черпак Н. Т. Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины ул. Ак. Проскуры, 12, Харьков, 61085, Украина тел.: (057) 7203363, e-mail: gubin@ire.kharkov.ua

Аннотация – Рассмотрен нерезонансный неразрушающий метод исследования ВТСП и родственных материалов при скользящих углах падения. Для определения абсолютного значения проводимости в широком частотном и температурном диапазонах используется коэффициент отражения электромагнитной волны от исследуемого образца.

I.                                       Введение

Изучение микроволновых свойств различных материалов, включая высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП), имеет важное значение как при исследовании ИХ физических особенностей, так и при создании устройств на их основе. Для изучения их СВОЙСТВ используют различные подходы и методы. Один ИЗ НИХ – это применение различного типа резонаторных структур [1]. Другой – использование нерезонансной техники, основанной на измерении микроволновой МОЩНОСТИ, прошедшей либо отраженной от ВТСП пленки [1]. При этом для измерения прошедшей МОЩНОСТИ ВОЗМОЖНО исследовать только тонкие образцы (порядка 10 нм для ВТСП), размещенные в поперечном сечении волновода [2]. Коэффициент отражения жедля толстых пленок и объемных образцов С большой проводимостью, расположенных перпендикулярно продольной оси волновода, близок к 1 И изменяется незначительно при изменении их проводимости даже в больших пределах [3]. Однако, при использовании падения электромагнитной волны на поверхность исследуемого образца под скользящими углами, имеется возможность получить увеличение чувствительности коэффициента отражения к изменению проводимости на порядок и более [4]. В данной работе приводятся результаты применения, предложенного авторами метода, для исследования ВТСП – материалов с использованием коэффициента отражения волны от образца.

II.                               Основная часть

в исследованиях использовались пленки УВагСизОу-б толщиной 300 нм, напыленные на сапфировой подложке ТОЛЩИНОЙ 0.3 мм с буферным слоем СеОг.

Для проведения исследований зависимости комплексного коэффициента отражения от температуры создана экспериментальная установка основу которой составляет фазовый мост (рис.1). Сигнал, поступающий от генератора микроволнового излучения (Г) С помощью ВОЛНОВОДНОГО тройника (Τρι) разделяется на два плеча, в одном из которых расположены измерительные аттенюатор (Ати) и фазовращатель (Ф), а ВО втором развязывающий аттенюатор (Атр) и циркулятор (Ц). С циркулятора сигнал поступает в волноводную секцию (ВС) С исследуемым образцом, расположенную в криостате, позволяющем проводить измерения до азотных температур. После взаимодействия С исследуемым образцом сигнал с волноводного тройника (Тр2) после детектирования (Д) через устройство сопряжения (УС) поступает в компьютер (ПК) ДЛЯ его дальнейшей обработки. Температурные изменения на поверхности исследуемого образца записывались с помощью датчика температуры на ПК синхронно с изменениям фазы и потерь в нем. Для управления процессом измерения была разработана специальная программа, позволяющая отслеживать изменения температуры, производить компенсацию аттенюатора и фазовращателя в опорном плече фазового моста по минимуму сигнала детектора, а также снимать их показания для графического отображения на экране ПК.

Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки, используемой для измерения комплексного коэффициента отражения.

Fig. 1. Scheme ofthe experimental setup for complex reflection coefficient measurement

Для получения абсолютных значений коэффициента отражения непосредственно от образца проводится калибровка установки по характеристикам известных материалов. Связь измеренного коэффициент отражения с коэффициентом отражения от образца Ra, можно описать выражением [5]:

где коэффициенты Ej^,E^ и Ej^ обусловлены потерями И переотражениями в СВЧ тракте. Для получения температурных зависимостей всех коэффициентов проводился ЦИКЛ ИЗ трех калибровочных измерений С последующим решением системы трех уравнений В каждой температурной точке с использованием табличных значений для проводимостей калибровочных образцов (медь, титан и поглотитель). Коэффициент отражения от поглотителя во всем температурном диапазоне близок нулю, что подтверждается малым значением КСВ от секции с таким образцом (менее 1.1), соответственно коэффициент Е^ , определяющий отражение от неоднородностей В СВЧ тракте, будет равен измеренному коэффициенту отражения от секции с поглотителем.

На рис.2. представлены температурные зависимости потерь (величина, обратная коэффициенту отражения) ДЛЯ сверхпроводящей пленки УВагСизОу-б

Рис. 2. Зависимости потерь для сверхпроводящей пленки УВагСизОу.п и трех калибровочных образцов на частоте 39.6 ГГц от температуры. Вставка – зависимость коэффициента отражения сверхпроводящей пленки УВагСизОу.п от температуры.

и трех калибровочных образцов, измеренные на частоте 39.6 ГГц. Как видно из рис.2, на сверхпроводящем переходе изменение потерь составляет 1.5 дБ.

Fig. 2. УВагСизОу.п superconducting fiim and three caiibration sampies iosses at 39.6 GHz \/s temperature, inset – temperature dependence of the УВагСизОу.п superconducting fiim refiection coefficient

Зная температурную зависимость коэффициента отражения, полученную с использованием калибровочных кривых для меди, титана и поглотителя можно получить абсолютный коэффициент отражения (см. вставку рис.2), а следовательно и абсолютные значения проводимости исследуемого образца в зависимости от температуры в широком диапазоне частот (полоса пропускания волновода).

III.                                   Заключение

Таким образом, данный метод позволяет проводить исследования сверхпроводников и родственных материалов, проводимость которых изменяется под действием внешних факторов в широком частотном и температурном диапазоне.

Показано, что использование калибровочных данных об абсолютных значениях коэффициента отражения известных материалов дает возможность получать в ходе проведения исследований такие характеристики как проводимость и поверхностный импеданс ВТСП.

IV.                            Список литературы

[ЦА. Р. Jenkins, К. S. Kale and D. Dew-Hughes. Studies of High Temperature Superconductors. 1996, V. 17, pp. 179-219.

[2]  P. H. Wu and Q. Min. J. Appl. Phys. 1992, V. 71, pp. 5550- 5553.

[3]  H. S. Somai, B. J. Feenstra, J ScliUtzmann, Jae Hoon Kim,

Z. H. Barber, V. H. IVI. Duijn, N. T. Hien, A. A. Menovsky,

Mario Palumbo and D. van derMarel. Phys. Rev. Lett. 1996,

V. 76, pp. 1525-1528.

[4]  N. T. Cherpak, A. I. Gubin and A. A. Lavrinovich. Microwave Reflectivity of HTS Film – Dielectric Substrate Structure at Arbitrary Incidence Angles. Telecommunications and Radio Engineering. 2001, V. 55, N 3, pp. 81 -89.

[5]  J. C. Booth, D. H. Wu, S. M. Aniage. A Broadband Method for the Measurement of the Surface Impedance of Thin Films at Microwave Frequencies. Rev. Sci. Instrum. 1994, V. 65, pp. 2082-2090.

GRAZING INCIDENCE REFLECTIVITY TECHNIQUE OF HTS AND RELATED MATERIALS MICROWAVE CHARACTERIZATION

Gubin A. I., Lavrinovich A. A., Cherpak N. T.

A.  Ya. Usiiiov institute for Radiophysics and Eiectronics Nationai Academy of Science of Ui<raine

12,           Acad. Prosiiura str, Khari<iv, 61085, Ui<.raine Ph.: (8-057) 7203363, e-maii: gubin@ire.i<hari<ov.ua

Abstract – Non-resonant nondestructive grazing incidence reflectivity technique of HTS and relative materials characterization has been shown. Electromagnetic wave reflection coefficient was used in order to determine absolute value of complex conductivity in wide temperature and frequency range.

I.                                         Introduction

Different techniques are used for microwave characterization of HTS and related materials. One of them is based on different types of resonant structures [1]. The other is based on the use of measuring power transmitted through or reflected from HTS film [1]. Presented in this paper are the first results of novel technique application. It is based on investigation of HTS- materials by means of measurement of sample grazing incidence reflection coefficient.

II.                                        Main Part

Experimental setup based on phase bridge method [6] for investigation of temperature dependence of complex reflection coefficient was developed (Fig.1). 300 nm thick УВагСизОу- . films deposited on 0.3 mm sapphire substrate with СеОг buffer layer were used for investigations.

Setup calibration using known samples characteristics was performed in order to obtain absolute values of reflection coefficient. Relation of the measured Rm and actual Ra reflection coefficient could be derived [5] using coefficients, which are determined by reflections and loses in the microwave transmission line.

III.                                       Conclusion

It is possible to obtain such HTS characteristics as complex conductivity or surface impedance using measured complex reflection coefficient, calibrated by absolute values of reflection coefficient ofthe known materials.

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