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.
Криогенная часть приёмника. Источник:
отдел по связям с общественностью ФИАН.
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.
Криогенная часть приёмника. Источник:
отдел по связям с общественностью ФИАН.
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».
Криогенная часть приёмника. Источник:
отдел по связям с общественностью ФИАН.
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.
Криогенная часть приёмника. Источник:
отдел по связям с общественностью ФИАН.
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.
Источник: отдел по связям с
общественностью ФИАН.