Search

PACS numbers: 85.25.Pb, 44.10.+j Предмет и цель работы: Композитные сверхпроводниковые болометры различного уровня охлаждения широко используются в астрономии для детектирования излучения в длинноволновом инфракрасном (ИК), субмиллиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн. Наличие межэлементных тепловых помех – одна из основных проблем при разработке матриц композитных высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) болометров. В работе исследуется размытие температурного рельефа, образованного на поверхности пленочной ВТСП структуры падающим ИК излучением. Цель работы – измерение пространственных и временных параметров теплового размытия ИК изображения на поверхности пленки. Методы и методология: Исследования проведены методом сканирующего лазерного зонда. Использован предложенный ранее подход к регистрации пространственного распределения интенсивности внешнего излучения при помощи дополнительного локального теплового воздействия. Сфокусированный на поверхности лазерный луч перегревает участок пленки и переводит его из сверхпроводящего состояния в резистивное, чувствительное к внешнему излучению. Сканирование всей структуры лазерным зондом эквивалентно перемещению чувствительного участка и обеспечивает считывание температурного рельефа, созданного внешним излучением. Результаты: Вследствие тепловой диффузии температурный рельеф размывается вдоль поверхности ВТСП структуры, поглощающей излучение. Так, для структуры на основе пленки YBa 2 Cu 3 O 7-x толщиной 200 нм на подложке SrTiO 3 толщиной 500 мкм установившийся размер теплового изображения почти в 2 раза превышаетначальные размеры сфокусированного на поверхности ИК изображения. Экспериментальные данные согласуются с результатами математического моделирования тепловых процессов при поглощении излучения в такой системе. Изучена зависимость длины тепловой диффузии и характерного времени достижения максимального разогрева поверхности пленки от толщины подложки и частоты опроса. Заключение: Тепловое размытие ИК изображения вдоль поверхности композитных ВТСП болометров накладывает ограничения на их пространственное разрешение, быстродействие и другие параметры. Уменьшение такого размытия может быть достигнуто за счет сокращения времени опроса и оптимизации теплового дизайна системы “пленка/подложка”. Так как именно длина тепловой диффузии определяет размеры чувствительных элементов и оптимальное расстояние между ними, полученные результаты могут быть использованы при проектировании матриц композитных ВТСП болометров. Ключевые слова: ВТСП болометр, ИК изображение, тепловая диффузия, лазерный зонд Статья поступила в редакцию 18.04.2019 Radio phys. radio astron. 2019, 24(2): 136-143 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. GOSSORG, J., 1988. Infrared thermography. Fundamentals, Technique, Application. Moscow, Russia: Mir Publ. (in Russian). 2. POSADA, C. M., ADE, P. A. R., AHMED, Z., ANDERSON, A. J., AUSTERMANN, J. E., AVVA, J. S., BASU THAKUR, R., BENDER, A. N., BENSON, B. A., CARLSTROM, J. E., CARTER, F. W., CECIL, T., CHANG, C. L., CLICHE, J. F., CUKIERMAN, A., DENISON, E. V., DE HAAN, T., DING, J., DIVAN, R., DOBBS, M. A., DUTCHER, D., EVERETT, W., FOSTER, A., GANNON, R. N., GILBERT, A., GROH, J. C., HALVERSON, N. W., HARKEHOSEMANN, A. H., HARRINGTON, N. L., HENNING, J. W., HILTON, G. C., HOLZAPFEL, W. L., HUANG, N., IRWIN, K. D., JEONG, O. B., JONAS, M., KHAIRE, T., KOFMAN, A. M., KORMAN, M., KUBIK, D., KUHLMANN, S., KUO, C. L., LEE, A. T., LOWITZ , A. E., MEYER, S. S., MICHALIK, D., MILLER, C. S., MONTGOMERY, J., NADOLSKI, A., NATOLI, T., NGUYEN, H., NOBLE, G. I., NOVOSAD, V., PADIN, S., PAN, Z., PEARSON, J., RAHLIN, A., RUHL, J. E., SAUNDERS, L. J., SAYRE, J. T., SHIRLEY, I., SHIROKOFF, E., SMECHER, G., SOBRIN, J. A., STAN, L., STARK, A. A., STORY, K. T., SUZUKI, A., TANG, Q. Y., THOMPSON, K. L., TUCKER, C., VALE, L. R., VANDERLINDE, K., VIEIRA, J. D., WANG, G., WHITEHORN, N., YEFREMENKO, V., YOON, K. W. and YOUNG, M. R., 2018. Fabrication of Detector Arrays for the SPT-3G Receiver. J. Low Temp. Phys. vol. 193, is. 5-6, pp. 703–711. DOI: 10.1007/s10909-018-1924-1 3. DELERUE, J., GAUGUE, A., TESTE, P., CARISTAN, E., KLISNICK, G., REGON, M. and KREISLER, A., 2003. YBCO mid-infrared bolometer arrays. IEEE Trans. Appl. Supercond. vol. 13, is. 2, pp. 176–179. DOI: 10.1109/TASC.2003.813674 4. BEHNER, H., RUHRNSCHOPF, K., WEDLER, G. and RAUCH, W., 1993. Surface reactions and long time stability of YBCO thin films. Physica C. vol. 208, is. 3-4, pp. 419–424. DOI: DOI : 10.1016/0921-4534(93)90216-D 5. COPETTI, C. A., SCHUBERT, J., ZANDER, W., SOLTNER, H., POPPE, U. and BUCHAL, CH., 1993. Aging of superconducting YBa 2 Cu 3 O 7-x structures on silicon. J. Appl. Phys. vol. 73, is. 3, pp. 1339–1342. DOI: 10.1063/1.353252 6. KHREBTOV, I. A., 2002. Noise properties of high temperature superconducting bolometers. Fluct. Noise Lett. vol. 2, no. 2, pp. R51–R70. DOI: 10.1142/S0219477502000671 7. VERGHESE, S., RICHARDS, P. L., CHAR, K., FORK, D. K. and GEBALLE, T. H., 1992. Feasibility of infrared imaging ging arrays arrays using using high high T T c c superconducting bolometers. J. Appl. Phys. vol. 71, is. 6, pp. 2491–2498. DOI: 10.1063/ 1.351063 8. KREISLER, A. J. and GAUGUE, A., 2000. Recent progress in high-temperature superconductor bolometric detectors: from the mid-infrared to the far-infrared (THz) range. Supercond. Sci. Technol. vol. 13, is. 8, pp. 1235–1245. DOI: 10.1088/0953-2048/13/8/321 9. GORDIYENKO, E. YU., SLIPCHENKO, N. I. and GARBUZ, A. S., 2002. High temperature superconducting microthermometers for multi-elements IR radiation detectors. Radioelectronika i informatika. no. 3, pp. 38–41. (in Russian). Available from: https://cyberleninka.ru/article/n/vysokotemperaturnye-sverhprovodnikovye-mikrotermo- metry-dlya-mnogoelementnyh-priemnikov-ik-izlucheniya 10. ZHURAVEL, A. P., SIVAKOV, A. G., TURUTANOV, O. G., OMELYANCHOUK, A. N., ANLAGE, S. M., LUKASHENKO, A., USTINOV, A. V. and ABRAIMOV, D., 2006. Laser scanning microscopy of HTS films and devices (Review Article). Low Temp. Phys., vol. 32, no. 6, pp. 592–607. DOI: 10.1063/1.2215376 11. FARDMANESH, M., ROTHWARF, A. and SCOLES, K. J., 1995. YBa Cu O infrared bolometers: Temperature de2 3 7"дpendent responsivity and deviations from the dR/dT curve. J. Appl. Phys. vol. 77, is. 9, pp. 4568–4575. DOI: 10.1063/1.359420 12. ZHURAVEL, A. P., USTINOV, A. V., ABRAIMOV, D. and ANLAGE, S. M., 2003. Imaging local sources of inter-modulation in superconducting microwave devices. IEEE Trans. Appl. Supercond. vol. 13, is. 2, pp. 340–343. DOI: 10.1109/TASC.2003.813731 13. YEFREMENKO, V., GORDIYENKO, E., PISHKO, V., PISHKO, O. and NOVOSAD, V., 2007. Method for detection and imaging over a broad spectral range. US Patent No. 7,274,019 B2. 14. YEFREMENKO, V., GORDIYENKO, E., SHUSTAKOVA, G., BADER, S. D. and NOVOSAD, V., 2005. Superconducting microbolometer with controllable coordinate sensitivity: an alternative approach to FPA design. In: B. F. ANDRESEN and G. F. FULOP, eds. Proceedings of SPIE. Infrared Technology and Application XXXI. vol. 5783, pp. 967–973. DOI: 10.1117/12.603647 15. GORDIYENKO, E., SHUSTAKOVA, G., FOMENKO, YU. V. and GLUSHCHUK, N. I., 2013. Thermal Imaging System Based on a High Temperature Superconductor. Instrum. Exp. Tech. vol. 56, is. 4. pp. 485–490. DOI: 10.1134/S0020441213030196