Деркач В Н, Головащенко Р В, Горошко Є В, НедухС В, Таранов С І Інститут радіофізики та електроніки ім А Я Усикова НАН України вул Ак Проскури, 12, Харків, 61085, Україна тел: 8 (057) -7203-463, e-mail: derkach@irel<harl<ovua

Анотація – Описано роботу кріодіелектрометра, призначеного для вимірювання діелектричних параметрів матеріалів з малим поглинанням в міліметрах-вом діапазоні довжин хвиль Аналізуються залежності тангенса кута втрат від температури для ряду діелектричних і напівпровідникових матеріалів в діапазоні частот 40-80 ГГц і діапазоні температур 085-300 К

I                                       Введення

Завдання дослідження малих і надмалих діелектричних втрат в області надвисоких частот становить значний інтерес для фахівців, що займаються проблемами термоядерного синтезу і вакуумної електроніки великих потужностей, де гостро відчувається необхідність в радіопрозорих матеріалах з унікальними властивостями Синтез таких матеріалів передбачає одночасне дослідження їхніх властивостей і зясування механізмів, які обумовлюють поглинання електромагнітної енергії в даному матеріалі [1] Особливий інтерес представляє дослідження поглинання НВЧ енергії в матеріалах при наднизьких температурах (нижче 42 К), при відсутності теплових коливань решітки

Одним з найбільш точних методів вимірювання комплексної діелектричної проникності матеріалів з малими втратами є метод діелектричного резонатора на модах шепоче галереї (ДР на МШГ) [2] При цьому відкритий ДР у вигляді диска, кільця або кулі виготовляється з досліджуваного матеріалу Дифракційні втрати такого резонатора нехтує малі і основні втрати електромагнітної енергії повязані з поглинанням в досліджуваному матеріалі

II                              Основна частина

в загальному випадку власна добротність Qo дискового діелектричного резонатора ДДР визначається сумою індивідуальних втрат в резонаторі: 1/Qo = pd-1аП (У + 1/Оо +1 / 0л, де 1/Qo і 1/Ол – втрати на звязок і дифракційні, pd – енергетичний коефіцієнт заповнення ДДР і tan <5 – тангенс кута втрат у вимірюваному матеріалі [2]. Моди шепоче галереї (МШГ) мають велике число варіацій поля в азимутному напрямку і обмежують великий відсоток поля в межах діелектрика. Для досить високого азимутального індексу моди втрати на випромінювання стають незначними і коефіцієнт заповнення близький одиниці. Тангенс кута втрат для зразка, може бути розрахований просто інверсією власної добротності Qo (tan (У = 1/Qo). При цьому геометричні параметри резонатора повинні задовольняти наступним умовам:

де d і Л – діаметр і товщина диска, т

– число варіацій поля по азимуту диска, Яо – довжина хвилі у вільному просторі, ε – діелектрична проникність матеріалу Власна добротність Qo резонатора на МШГ досить точно визначається з вимірів навантаженої добротності резонатора Qn і коефіцієнта звязку

Метод найбільш зручний для використання в міліметровому діапазоні довжин хвиль, оскільки розміри ДР порівнянні з довжиною хвилі (5 – ΙΟλο) і такий ДР, виготовлений з досліджуваного матеріалу, може бути помешен в робочу камеру кріогенної системи, що має невеликі розміри

Для проведення вимірювань в діапазоні температур 085-300 До був виготовлений кріогенний комплекс, що складається з рефрижератора ® Нє, побудованого за схемою «top-loading refrigerator», що дозволяє проводити зміну зразка без підвищення температури робочої камери [3], і змінних електродинамічних модулів, призначених для підведення високочастотної енергії до діелектричному резонатору | / 1сследуемие ДР виготовлялися з оптичною точністю з досліджуваного матеріалу у вигляді суцільного диска Зразок знаходився в вакуумированной камері, яка забезпечувала можливість плавної зміни температури від 08 К до 300 К В Як елементи збудження використовувалися одномодові прямокутні діелектричні хвилеводи

Були досліджені ДДР з таких матеріалів, як: поликор, алунд, лейкосапфір, кварц, CVD алмаз, кальцит, флюорит, кремній, германій, кремній, легований золотом, фосфід індію, фосфід галію, арсенід галію, антимонід індію та інші

Резонансні характеристики досліджуваних ДДР попередньо досліджувалися при кімнатній температурі Спектральні характеристики коливань реєструвалися за допомогою апаратно-програмного комплексу (АПК) Високодобротні коливання шепоче галереї з однією варіацією поля вздовж радіуса резонатора EHmis) і великим числом варіацій поля в азимутному напрямку (т = 16-24) вибиралися в якості робітників

Експериментальні результати для різних досліджених зразків наведено на рис 1 У чистих напівпровідників Si і Ge концентрація носіїв істотно підвищується вже при температурі 25-30 К, при цьому діелектричні втрати зростають і як наслідок – зменшення добротності і втрата резонансних властивостей ДДР Найменші втрати електромагнітної енергії в широкому діапазоні температур спостерігалися в кремнії, легованому золотом (Si: Au) При наднизьких температурах малим поглинанням володіли також InP, GaAs, GaP Немонотонні криві свідчать про конкуренцію механізмів, які відповідають за поглинання електромагнітної енергії в речовинах Деякий інтерес представляють природні матеріали і їх монокристалічні форми Найменше значення тангенса кута втрат серед природних матеріалів при низьких температурах зареєстровано у топазу

Немонотонність характеристик в діапазоні температур 12-120 К свідчить про різні конкуруючих механізмах втрат в кристалі топазу CVD алмази успішно використовуються як вікон виведення високочастотної енергії потужних гіротронов Для алмазів різних виробників втрати істотно не відрізнялися при кімнатній температурі Однак різниця чітко спостерігається при температурах нижче 50 К Поведінка кривих зміни tan (5 залежно від температури якісно відповідає результатами вимірювань, описаних іншими дослідниками, наприклад, в [2]

Рис 1 Температурні залежності тангенса кута втрат для ряду діелектриків

Fig 1 Loss tangent versus temperature for some dielectrics

III                                   Висновок

Розроблений і створений кріогенний комплекс для дослідження діелектричних параметрів матеріалів в широкому інтервалі температур в міліметровому діапазоні довжин хвиль Проведено вимірювання тангенса кута втрат ряду перспективних штучних і природних матеріалів в 4-х міліметровому діапазоні довжин хвиль за допомогою методу ДДР на МШГ

Аналіз отриманих результатів дозволить встановити механізми поглинання для кожного конкретного матеріалу На основі такого аналізу можливе вдосконалення технології виготовлення того чи іншого матеріалу

Робота виконана за часткової підтримки УНТЦ, проект № 1916

IV                           Список літератури

[1] Garin В М, Parshin V V et al Losses in diamond in the millimeter range Techn Phys Lett, 1999, 25, p 288-289

[2]  Krupka J, Derzakowski Κ, Abramowicz A et al Use of whispering-gallery modes for complex permittivity determinations of ultra-low-loss dielectric materials IEEE Trans, on MTT, 1999,47, p 752-759

[3] Головащенко P В, Деркач В Η, Корж В Г та ін Криогенний комплекс для вимірювання надмалих втрат в діелектриках в міліметровому діапазоні довжин хвиль – В кн: 13-а Міжнар Кримська конф «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології» (КриМіКо2003) Матеріали конф [Севастополь, 8-12 верес 2003 р] – Севастополь: Вебер, 2003, с 679-680

INVESTIGATION OF THE LOW-LOSS DIELECTRIC MATERIALS IN THE WIDE TEMPERATURE RANGE

Derkach V N, Golovashchenko R V,

Goroshko O V, Nedukh S V, Tarapov S I

Usikov Institute for Radiophysics and Electronics of NAS of Ukraine 12 Ac Proskura St, Kharkov, 61085, Ukraine Ph: 8(057)-7203-463, e-mail: derkach@irekharkovua

Abstract – The operational regimes of cryodielectrometer designed for measurement the dielectric parameters of materials with small dissipation in millimeter waveband is described Dependences of loss tangent on temperature for some dielectric and semiconductor materials in frequency band 40-80 GHz and temperature range 085-300 До are analyzed

I                                         Introduction

The problem of investigation of low and ultra low dielectric losses at extra high frequencies represents the considerable interest for the experts, who work with the radiotransparent materials with unique properties Synthesis of such materials entailed the simultaneous investigation of dielectric properties and clarifying ofthe mechanisms causing dissipation

One ofthe most precise techniques of measurement of complex permittivity of materials with low dielectric losses is the technique of dielectric resonator with whispering gallery modes (WGM DR) Thus, the open DR as a disk, ring or sphere is made of material under test The diffraction losses of such resonator are negligible small and the basic losses of electromagnetic energy are determined by dissipation in material under test

II                                        Main Part

Whispering gallery modes (WGM) have the large number of field variations in azimuthal direction and confine the large percent of field energy inside the dielectric The losses on radiation become insignificant and the filling factor is close to unity for enough high azimuthal modal indexes The loss tangent of a sample can be defined simply by the inversion of Q-factor (Qo) The technique is most convenient for use at millimeter waves as the sizes of DR are comparable to the length of a wave and such DR made of material under test, can be placed in the working chamber ofthe cryogenic system having the small sizes

The cryogenic complex consisting of the refrigerator ^He under the circuit «top-loading refrigerator» is design for carrying out of measurements in the temperature range 085-300 K The disk dielectric resonators (DDRs) were manufactured with the optical accuracy of materials under test The DDR was placed in the vacuumize chamber which provided an opportunity ofthe smooth change of temperature Experimental results for the different investigated samples are presented as tables and graphs The lowest losses of energy in a wide temperature range were observed in the gold doped by silicon (Si: Au) At ul- tralow temperatures InP, GaAs and GaP had small absorption too Non-monotonic curves are testimony to a competition of mechanisms which are responsible for absorption (losses) of electromagnetic energy For CVD diamonds of two manufacturers the losses essentially differed at low temperatures and practically identical at T=300 K The behavior of curves tani depending on temperature is in qualitative agreement with the results ofthe measurements presented by other researchers

III                                       Conclusion

The cryogenic complex for investigation of dielectric parameters of materials at wide temperature range at millimeter waves is designed and created Measurement of loss tangent of some promising technical and natural materials in 4-millimeter wavelength band by using of WGM DDR is carried out

The analysis ofthe obtained results will allow elucidatmTn the mechanisms of absorption for concrete material On the basis of analysis an improvement of manufacture technology is possible

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р