В Астрокосмическом центре Физического института им. П.Н. Лебедева
РАН (АКЦ ФИАН) впервые в России создан криогенный приёмник,
способный детектировать радиосигналы на частотах 220-280 ГГц. Его
крайне высокая квантовая чувствительность и малый уровень потерь
сигналов достигаются благодаря охлаждению до сверхнизких температур.
В перспективе такие приборы предполагается использовать в работе как
наземных, так и космических обсерваторий миллиметрового и
субмиллиметрового диапазона.
Миллиметровый диапазон длин волн очень важен для космических
исследований. Химия космоса, поиск сложных органических молекул в
межзвездной среде, исследования объектов ранней Вселенной и активных ядер
галактик, – неполный перечень областей его применения. Именно в
миллиметровом диапазоне были получены изображения теней сверхмассивных
черных дыр в нашей Галактике и в галактике M87.
Однако сегодня космос все ещё недостаточно хорошо изучен в миллиметровом
диапазоне (от 30 ГГц до 300 ГГц). Отчасти это связано со сложностью изготовления
приёмных антенн и детекторов, работающих на этих длинах волн, отчасти – с малой прозрачностью
атмосферы Земли в миллиметровом диапазоне. Поверхность таких антенн
должна быть намного более точной по сравнению с обычным радиотелескопом.
Для изготовления детекторов требуются элементы микроскопических размеров,
поэтому технологически их изготовление – крайне сложная задача. Только
несколько стран в мире способны изготовить миллиметровые приёмники
достаточной для космических исследований чувствительности. Теперь в их
число уверенно входит и Россия.
Новый российский приёмник работает на частотах 220-280 ГГц (длина волны
около 1.2 мм). Для достижения сверхвысокой чувствительности его
необходимо охладить до температуры кипения жидкого гелия – 4К. Благодаря
столь низким температурам элементы микросхемы прибора, изготовленные из
ниобия, переходят в сверхпроводящее состояние. Именно сверхпроводимость и
делает параметры нового детектора уникальными. Она позволяет достичь
квантовой чувствительности детектора и малых потерь сигналов в
соединительных линиях.
«Стандартная полупроводниковая электроника ограничена по скорости и
неэффективна для приема очень слабых терагерцовых сигналов, – пояснил
руководитель Лаборатории терагерцовых приборов и технологий АКЦ ФИАН
Андрей Худченко. — Поэтому наш новый приёмник работает по гетеродинному
принципу. Суть его в том, что измеряемый высокочастотный сигнал
сравнивается с сигналом опорного генератора на чувствительном
сверхпроводниковом элементе. Результат этого сравнения выпадает на низкие
частоты порядка 1 ГГц и без потери качества обрабатывается стандартной
электроникой. Более того, гетеродинные приёмники позволяют сохранять
информацию как об амплитуде, так и о фазе сигнала. А значит, из телескопов,
оснащенных такими приемниками, можно создать интерферометр».
У детекторов этого типа есть ещё одна полезная особенность. Они обладают
сверхвысоким частотным разрешением, что чрезвычайно ценно для
космических исследований в миллиметровом диапазоне. Ведь именно здесь
сосредоточено колоссальное количество узких спектральных линий,
создаваемых сложными молекулами. Эти линии дают уникальную информацию
о химическом составе, кинематике и физических параметрах межзвёздной
среды.
Созданный в Астрокосмическом центре ФИАН прибор – самый
чувствительный приемник высокого разрешения в своём диапазоне частот на
сегодняшний день в нашей стране. Эта разработка стала возможна в результате
плодотворного сотрудничества ИРЭ РАН и АКЦ. Все компоненты смесителя,
«сердца приемника», изготовлены в России и соединены в работающий прибор
в АКЦ.
Сейчас Лаборатория терагерцовых приборов и технологий продолжает работу
по оптимизации приёмника и улучшению его базовых характеристик. В
частности, в ближайшее время планируется кратно улучшить его
чувствительность за счёт оптимизации параметров туннельных
сверхпроводящих наноструктур и конструкции. Также ведется работа по
созданию более сложной и продвинутой модификации приемника – детектора с
разделением боковых полос. Эта версия прибора станет идеальным вариантом
для использования как на борту космической обсерватории Миллиметрон, так и
на наземных радиоастрономических телескопах.
Нет комментариев