Квазіоптичні діелектричні резонатори з локалізацією мікрохвильового поля біля провідної площини - Автореферат

У мм діапазоні є необхідність у високоточних сенсорах для вимірювання поверхневого опору високотемпературних надпровідників (ВТНП), оскільки дослідження імпедансних властивостей цих нових речовин дозволяють визначати ряд фізичних властивостей ВТНП, що сприяє поглибленому розумінню механізму високотемпературної надпровідності. Ці дані можуть бути отримані при вимірюванні надпровідників в широкому температурному інтервалі, в тому числі при дуже низьких температурах, де потрібна висока чутливість вимірювання мікрохвильових (МХ) втрат. Квазіоптичні діелектричні резонатори або резонатори з модами шепочучої галереї (ШГ) вивчалися і використовувалися в основному у формі кругових циліндрів. Останнім часом було показано, що циліндричні квазіоптичні діелектричні резонатори з торцевими провідними стінками (ТПС) можуть бути успішно використані для вимірювання поверхневого опору тонких плівок ВТНП. Мета роботи - вивчити електродинамічні характеристики квазіоптичних діелектричних резонаторів з локалізацією мікрохвильового поля біля провідної площини і обґрунтувати можливість вимірювання поверхневого опору ВТНП тонких плівок у міліметровому діапазоні довжин хвиль з використанням зазначених резонаторів.Також описуються сучасні методи вимірювання поверхневого опору плівок ВТНП і проводиться їх порівняльний аналіз, який демонструє, що розроблена раніше техніка вимірювання у мм діапазоні довжин хвиль не забезпечує необхідні точність і чутливість вимірювань нижче температур або вимагає наявності трьох плівок для отримання їх індивідуальних характеристик. Зокрема амплітудно-частотна характеристика КДР вимірювалася методом на прохід при мінімальному звязку з резонатором, при цьому власна добротність визначалася за шириною резонансної лінії на рівні 0,5 від максимальної потужності. Установка дозволяє проводити дослідження спектральних і енергетичних характеристик квазіоптичних резонаторів у восьмиміліметровому діапазоні довжин хвиль. Описано також хвилеводний прилад для проведення температурних вимірювань, який дозволяє проводити вимірювання від кімнатної до гелієвих температур. Дослідження проводилися експериментальним шляхом, а також використовуючи результати відомого теоретичного аналізу півкульового КДР, зокрема, дисперсійні рівняння для Н-та Е-мод, вирази для власної частоти, добротності резонатора та коефіцієнту вмикання провідної площини.У даній дисертаційній роботі розвязано актуальну задачу радіофізики з вивчення електродинамічних характеристик квазіоптичних діелектричних резонаторів з локалізацією мікрохвильового поля біля торцевої провідної площини і дано обґрунтування можливості вимірювання поверхневого опору ВТНП плівок у міліметровому діапазоні довжин хвиль за допомогою цих резонаторів. Вперше експериментально визначено частотний спектр і енергетичні характеристики КДР у формі півкулі та зрізаного конусу, виконаних з ізотропних і анізотропних діелектриків, з провідної стінкою, уздовж якої поширюються хвилі шепочучої галереї. При цьому характеристики конічного КДР вивчено в залежності від кута нахилу твірної конусу. Встановлено, що найбільший коефіцієнт включення ВТНП зразків може бути отриманий при використанні мод з Н поляризацією, що вказує на перевагу використання мод саме цієї поляризації для вимірювання поверхневого імпедансу надпровідників, тому що вона дозволяє підвищити чутливість вимірювання.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У даній дисертаційній роботі розвязано актуальну задачу радіофізики з вивчення електродинамічних характеристик квазіоптичних діелектричних резонаторів з локалізацією мікрохвильового поля біля торцевої провідної площини і дано обґрунтування можливості вимірювання поверхневого опору ВТНП плівок у міліметровому діапазоні довжин хвиль за допомогою цих резонаторів.

У ході виконання роботи було отримано наступні основні результати: 1. Вперше експериментально визначено частотний спектр і енергетичні характеристики КДР у формі півкулі та зрізаного конусу, виконаних з ізотропних і анізотропних діелектриків, з провідної стінкою, уздовж якої поширюються хвилі шепочучої галереї. При цьому характеристики конічного КДР вивчено в залежності від кута нахилу твірної конусу.

2. На підставі виміряних спектральних характеристик КДР з локалізацією поля біля ТПС і порівняння їх з обчисленими даними проведена ідентифікація мод ШГ в досліджуваних резонаторах. Встановлено, що найбільший коефіцієнт включення ВТНП зразків може бути отриманий при використанні мод з Н поляризацією, що вказує на перевагу використання мод саме цієї поляризації для вимірювання поверхневого імпедансу надпровідників, тому що вона дозволяє підвищити чутливість вимірювання.

3. Розвязано задачу розрідження спектрів КДР за допомогою зміни розташування або матеріалу збуджувальних хвилеводів. Показано, що за допомогою зміни умов збудження КДР можна контролювати щільність його спектру і вибірково збуджувати моди з необхідними полярним та азимутальним індексами.

4. Вперше обґрунтовано і експериментально продемонстровано можливість вимірювання індивідуальних значень ВТНП плівок за один цикл температурних вимірювань за допомогою КДР у формі півкулі. Також показано, що сапфіровий конічний КДР при кутах нахилу твірної конусу може успішно використовуватися для вивчення поверхневого опору ВТНП. Однак, конічний сапфіровий КДР може бути рекомендованим для точних вимірювань лише в діапазоні температур , через те, що при більш низьких температурах втрати у діелектрику та надпровіднику зрівнюються з радіаційними втратами в такому резонаторі.

5. Аналіз найбільш імовірної похибки вимірювань за допомогою півкульового КДР показав збільшення точності вимірювань зразка ВТСП в раз при гелієвих температурах у порівнянні з похибкою при використанні циліндричного КДР.

Отримані результати дозволяють удосконалювати вимірювальну техніку для визначення мікрохвильових імпедансних характеристик ВТСП плівок і ставити нові експерименти в області фундаментальної фізики надпровідності, у тому числі експерименти зі зясування природи остаточного поверхневого опору та встановлення хвильової симетрії параметра порядку в нових надпровідниках. Застосування нових резонаторів дозволяє також майже у три рази скоротити трудомісткість та вартість кріогенних вимірювань імпедансних характеристик ВТНП в порівнянні з методом на базі циліндричного КДР.

1. Cherpak N.T. Measurements of Millimeter-Wave Surface Resistance and Temperature Dependence of Reactance of Thin HTS Films Using QUASIOPTICAL Dielectric Resonator / N.T. Cherpak, S.A. Bunyaev, Y.V. Prokopenko, S. Vitusevich // IEEE Trans. on Appl. Supercond. - 2005. -Vol. 15, № 2. - P. 2919-2922.

2. Баранник А.А. Конические и близкие к ним квазиоптические диэлектрические резонаторы / А.А. Баранник, С.А. Буняев, Н.Т. Черпак // Радиофизика и электроника: Сборник научных трудов / НАН Украины. Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова. - Харьков, 2006. - Т. 11, № 2. - С.210-214.

3. Cherpak N.T. On a quality factor of whispering gallery mode dielecric resonators in a form of cone / N.T. Cherpak, S.A. Bunyaev, A.A. Barannik // Microwave and Optical Technology Letters. - 2007. - Vol. 49, № 8. - P.1987-1989.

4. Barannik A.A. Quasioptical dielectric resonators in the form of a truncated cone / A.A. Barannik, S.A. Bunyaev, N.T. Cherpak, S.A. Vitusevich // Journal of Lightwave Technology. - 2008. - Vol. 26, № 17. - P.3118-3123.

5. Баранник А.А. O микроволновом отклике эпитаксиальной пленки YBA2Cu3O7 при низких температурах с применением новой техники измерений / А.А. Баранник, С.А. Буняев, Н.Т. Черпак // ФНТ. - 2008. - Т. 34, № 12. - С.1239-1244.

6. Декл. пат. Україна, МПК51 G01R 27/04. Пристрій для вимірювання поверхневого імпедансу надпровідників / Баранник О.А., Буняєв С.О., Прокопенко Ю. В., Філіпов Ю.Ф., Черпак М.Т.; заявник і патентовласник Ін-т радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН Украины. - № 16620; опубл. 15.08.2006, Бюл. № 8.

7. Barannik A.A. Hemispherical quasioptical dielectric resonators as possible sensors for impendence measurement of superconductors / A.A. Barannik, S.A. Bunyaev, N.T. Cherpak // International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Millimeter and Sub-Millimeter waves: int. symp., 21-26 June, 2004: symp. proc. - Kharkov, 2004. - Vol. 1. - P.430-432.

8. Bunyayev S.O. Conical whispering gallery mode resonator / S.O. Bunyayev, A.A. Barannik, N.T. Cherpak // 35th European Microwave Conference: int. conf., 3-7 October, 2005: conf. proc. - Paris, 2005. - P. 1195-1197.

9. Баранник А.А. Конический квазиоптический диэлектрический резонатор / А.А. Баранник, С.А. Буняев, Н.Т. Черпак // Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития: 2-й межд. радиоэлектронный форум, 19-23 сентября, 2005: тезисы докл. - Х., 2005. - Т. 5. - С. 61-64.

10. Bunyaev S.A. Whispering-gallery-mode sapphire resonators in the forms of cylindrical disc and cone for millimeter-wave resistance measurements of HTS films / S.A. Bunyaev, A.A. Barannik, N.T. Cherpak, A.I. Gubin, S.A. Vitusevich // International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Sub-Millimeter waves: int. symp., 25-30 June, 2007: symp. proc. - Kharkov, 2007. - Vol. 1. - P. 407-409.

11. Cherpak N.T. Quasioptical dielectric resonator-based technique of HTS film millimeter-wave surface resistance measurements: three types of resonators / N.T. Cherpak, A.A. Barannik, S.A. Bunyaev // 38th European Microwave Conference: int. conf., 29 September - 1 October, 2008: conf. proc. - Amsterdam, 2008 - P. 807-811.