بخشی از مقاله
معرفی ستاپ اندازه گیری و تست آشکارسازهای امواج میلیمتری و تراهرتز
چکیده
محدوده فرکانسی گیگاهرتز و تراهرتز، به لحاظ محدودیتهای تکنولوژیکی تابهحال کمتر مورد توجه واقع شده و نیاز به فراهم آوردن تجهیزات تست و اندازهگیری آشکارسازهای این حوزه از مباحث موردتوجه و مهم میباشد. در این مقاله قصد داریم مروری بر انواع افزارههای موجود در یک آزمایشگاه امواج میلیمتری و تراهرتز استاندارد داشته و چندین چیدمان برای یافتن پارامترهای شایستگی آشکارسازهای این حوزه ارائه کنیم.
کلیدواژه: امواجمیلیمتری ، آشکارساز، پاسخدهی
مقدمه
در سالهای اخیر تکنولوژی تراهرتز((THz1 که تابه حال با کمبود منابع و آشکارسازهای کارآمد روبرو بوده، توسعه و رشد سریعی داشته است. ناحیه موج میلیمتری در طیف امواج الکترومغناطیسی در فاصلهی ناحیهی بین پرتوهای ماکرویوو و مادونقرمز قرار دارد و معمولا از روشها و تجهیزات اندازهگیری هر دو گروه استفاده میشود. اندازهگیری پارامترهای شایستگی آشکارسازهایموج میلیمتری یکی از دغدغههای مهم در این حوزه میباشد که در این امر آزمایشگاههای موج میلیمتری موسسات و دانشگاههای مختلف جهان از روشهای گوناگونی استفاده میکنند. از تجهیزات بکاررفته میتوان به منابع موج میلیمتری، آشکارساز، تقویتکننده قفلفاز، عناصر غیرفعال مانند موجبر، کابلها، چاپر و از دستگاههای اندازهگیری به توانسنج، اسیلوسکوپ و تحلیلگرطیف اشاره کرد.
در این مقاله قصد داریم به معرفی تجهیزات لازم برای تست آشکارسازهای موج میلیمتری و توضیح چندین چیدمان پیشنهادی برای بدستآوردن پارامترهای آن بپردازیم، بدین صورت که در بخش اول افزارههای موردنیاز برای یک چیدمان تراهرتز و موج میلیمتری استاندارد را معرفی خواهیم کرد، در بخش دوم پارامترهای شایستگی2 آشکارسازهای مستقیم و در بخش آخر روش های تست و مشخصهیابی آشکارساز موج میلیمتری توضیح داده می-شوند و درنهایت هم جمع بندی آورده شده است.
-1 افزارههای مورد نیاز برای یک چیدمان تراهرتز و موج میلیمتری استاندارد برای فراهم کردن یک ستآپ تراهرتز و موج میلیمتری، افزارههای مختلفی مورد نیاز است که میتوان بصورت زیر تقسیم بندی کرد.
آشکارسازها
در آشکارسازی موج میلیمتری، بسته به این که دامنه و فاز میدان ورودی و یا شدت آن را اندازهگیری کرده باشیم، اغلب آشکارسازها به دو گروه منسجم3 و نامنسجم 4، طبقهبندی میشوند. آشکارسازهای نامنسجم یا مستقیم، تابش را بهطور مستقیم دریافت کرده و شدت میدان ورودی را اندازهگیری میکنند و در مقاله منظور از آشکارساز این گروه می باشد، ولی آشکارسازهای منسجم یا هتروداین، با استفاده از میکسر و اسیلاتور محلی توان را در یک بازه فرکانس میانه قرار داده و سپس به آشکارساز میرسد و در آنها هم دامنه و هم فاز میدان را میتوان اندازهگیری کرد. انواع مختلف آشکارسازهای موجود در محدودهی تراهرتز و موج میلیمتری را میتوان بصورت جدول1 بیان کرد. )
تقسیم بندی این آشکارسازها بر اساس عملکرد فیزیکی ( دیودی، کوانتومی، حرارتی) و نوع کوپلینگ (آنتنی، سطحی، موج بری) آنها می باشد و جزئیات هر نوع در مرجع آورده شده است. از این میان معمولا در کارهای آزمایشگاهی تراهرتز و موج میلیمتری از آشکارسازهای زیر استفاده میگردد که در ادامه توضیحی مختصر از هریک آورده شده است.
· سلول گولای
· آشکارساز پایروالکتریک
· بالومتر
· دیود شاتکی
سلول گولای از یک فیلم جذب کننده واقع در سلول فشار تشکیل شده که با تابش امواج الکترومغناطیس به فیلم، جذب آن شده و گاز داخل سلول را منبسط کرده و فشار را افزایش میدهد. در نتیجه صفحه بسیار نازک موجود در پشت سلول، به سمت بیرون خمشده و مقدار این خمیدگیِ اندک به کمک لیزر تابنده بر صفحه آشکار میشود.[59] بعبارتی تابش موج میلیمتری مدولهشده در ورودی بهعنوان یک سیگنال اپتیکی مدولهشده در خروجی ظاهر میشود. در شکل1، ساختار و یک نمونه تجاری از سلول گولای آمده است.
در آشکارساز پایروالکتریک، با تغییرات دما پلاریزاسیون ماده تغییر میکند که موجب افزایش ولتاژ در عرضکریستال میشود.[66] نکتهی مهم در استفاده از آشکارساز پایرو این است کهتنها در صورت مدوله بودنِ تابشِ فرودی بر روی آن، میتواند یک سیگنال ثابت را آشکار کند. یک نمونه تجاری آن در شکل آورده شده است.
بالومتر از یک کریستال کوچک (معمولا ژرمانیوم) تشکیل شده و از طریق یک لینک گرمایی ضعیف به یک سینک گرمایی متصل است. به هنگام تابش موج، کریستال آن را جذب کرده و گرم میشود و مقاومت آن تغییر میکند که میتوان از روی آن شدت تابش الکترومغناطیسی آشکارشده را اندازه گرفت.[59]
دیودشاتکی در بایاسمعکوس برای جذب مستقیم فوتونهای موج میلیمتری قابلاستفاده است و هنگامیکه دیود برای داشتن ولتاژ روشنشدن کم در حالت بایاس مستقیم بهینه شود، میتواند پاسخ فرکانسی و پهنای باند بسیار خوبی حتی در بایاسصفر داشته باشد. این دیود میتواند در دمای اتاق یا در دماهای برودتی کار کند و در مقایسه با سلولگولای، آشکارساز پایرو و بالومتر پاسخدهی5 سریعتری دارد.[67]
منابع
منابع موجود در آزمایشگاههای تراهرتز و موج میلیمتری از نظر فرکانس تابش، توان تولیدی، قابل حمل بودن یا نبودن و ... با یکدیگر متفاوت هستند. انواع آن را میتوان بصورت زیر دستهبندی کرد:
· تولیدکننده سیگنال
· قطعات تیوب خلا6 (مانند اسیلاتور موج برگشتی ((BWO7)
· دیودهای با مقاومت منفی (مانند دیود گان8، IMPATT9و ...)
· لیزرها (مانند لیزر الکترون آزاد)
تولیدکنندههای سیگنال قادر به تولید سیگنالهایی با فرکانس بالا هستند و میتوان از ماژولهای چندبرابرکننده فرکانسی برای تولید توان و فرکانس لازم کمک گرفت. مزیت آنها ایجاد مدولاسیونهای مختلف دامنه- فاز میباشد.
در اسیلاتور موج برگشتی، تفنگ الکترونی یک اشعه الکترونی که به ساختاری خاص میتابد، تولید میکند و این برخورد، منجر به تولید موجهای رونده در خلاف جهت موج اصلی میشود. این اسیلاتور از منابع با توان بالا و پایدار محسوب میشود. نوع تجاری آن از دو قسمت منبعبایاس و قسمتِ آهنربایی تشکیل شده است که در شکل2 آورده شده است.
دیودگان از دو ناحیه نوع n با درجهی آلاییدگی زیاد بعنوان الکترودها و لایهی نازک سوم نوع n با درجهی آلاییدگی کم، در -بین دو لایهی ذکر شده، ساخته شده است. با اعمال ولتاژ به قطعه، گرادیان الکتریکی در ناحیه نازک میانی، به بیشترین مقدار میرسد. در میدانهای الکتریکی زیاد، خواص هدایتیِ لایه میانی تغییر کرده و مقاومت شروع به افزایش میکند و مانع هدایت بیشتر میشود، در نتیجه، جریان شروع به کاهش میکند. این امر به معنای وجود ناحیهای با مقاومت منفی میباشد که کاربرد اسیلاتوری دارد .[7x] این منابع معمولا کوچک و قابل حمل بوده و میتوانند توانی تا 20 میلیوات و بیشتر تولید کنند و هم چنین قیمت تجاری آنها نسبت به سایر منابع پایینتر است.
دیودهای IMPATT معمولا داخل یک پکیج مایکروویو قرار دارند و نزدیک یک انتقال دهندهی گرما از جنس مس بسته میشوند. بنابراین، گرمای تولید شده در دیود به راحتی منتقل میشود. آنها معمولا در رنج فرکانسی کوچکی کار میکنند.
قطعات غیرفعال10
برای تجهیز یک آزمایشگاه تراهرتز به تعدادی قطعه غیرفعال در دو فرم موج بر و شبه نوری نیاز است که میتوان به لیست زیر اشاره کرد:
· موجبر: برای هر دسته از فرکانسهای تابشی، موجبر مخصوص با ابعاد مربوط به آن طول موج استفاده میشود که نمونه ای از آن درد شکل آمده است.
· کابل کواکس11 و ترایاکس:12
· مبدلهای موجبر به ترایاکس و کواکس: جهت استفاده از سیگنال فرکانس بالا تولیدی توسط مولد سیگنال در فضای آزاد و بصورت موج الکترومغناطیسی.
·
· کوپلر: جهت انتقال مقدار مشخصی از توان الکترومغناطیسی در خط انتقال به پورتی دیگر
· ایزولاتور
از شرکتهای سازنده موج بر ، کابلها و مبدل مذکور و ایزولاتور میتوان به agilent، [14x]DORADO ، [19x]VDI، [17x]ELVA، Quin star ، [18x]AINFO و[20x] ducommonاشاره کرد.
· فیلتر: جهت جدا کردن فرکانسی خاص یا محدودهی کوچکتری از فرکانس در یک محدودهی بزرگتر معمولا در اندازهگیریهای موج میلیمتری و تراهرتز، نیاز به فیلترهایی داریم که طیف مادونقرمز را فیلتر کند، زیرا بسیاری از آشکارسازهای گرماییِ تراهرتز به امواج مادون قرمز نیز حساسیت نشان میدهند.
· تنظیم کننده: جهت تنظیم شدت تابش
با تنگ و گشاد کردن دهانهی آن، مانع خروج امواج الکترومغناطیس و رسیدن به آشکارساز میشود، اما در تغییر فرکانس نقشی ندارد.
· نگهدارنده: جهت قرار دادن نمونه در مقابل منبع. میتوان براحتی با آن نمونه را در ابعاد میکرومتری، جابجا کرد.
· چاپر: قطعهای مکانیکی برای مدوله کردن تابش ورودی چاپر از چند پره تشکیل شده که باعث تولید یک سیگنال مربعی با مقدار سیگنال اصلی و صفر در یک پریود کامل می شود و فرکانس چرخش آن توسط یک کنترلر تنظیم میشود که ورودی آن از خروجی تقویتکنندهقفلشدهفاز 13می آید. فرکانس مدولاسیون آنها در حد چند هرتز تا چند صدکیلوهرتز می باشد. نمونهای از آن را میتوان در شکل مشاهده کرد.
·
· آنتن شیپوری: انتقال امواج با فرکانس بالا به فضای آزاد و یا دریافت از فضای آزاد . شرکتهای ATM، VDI، Quinstar، AINFO گزینه های خوبی میباشند.
· اطاق ضد پژواک: اطاقی برای جذب کامل بازتاب امواج یا صوت الکترومغناطیسی طراحی شده و از ورود هر گونه نویز خارجی مصون است.
· سردساز:14 برای سرد نگهداشتن آشکارساز بکار میرود. [22x]SHI Cryogenics Group، [23x]cryomech ،[24x]abbess ،
[25x] Janisو [26x]OXFORD INS شرکتهای ارائهدهنده سردساز می باشند. قطعات فعال از جمله قطعات فعال یک چیدمان تراهرتز میتوان به موارد زیر اشاره کرد.
· تقویتکننده : معمولا زمان استفاده از چندبرابر کنندههای سیگنال در مدار،برای جبران تضعیفِ رخ داده، از تقویتکننده استفاده میشود. شکل، نمونهای از تقویتکننده در فرکانس بالا را نشان میدهد.
· دو یا سه برابر کننده فرکانس
