Губин А І, Лавринович О А, Черпак Н Т Інститут радіофізики та електроніки ім А Я Усикова НАН України вул Ак Проскури, 12, Харків, 61085, Україна тел: (057) 7203363, e-mail: gubin@irekharkovua

Анотація – Розглянуто нерезонансний неруйнівний метод дослідження ВТНП і родинних матеріалів при ковзних кутах падіння Для визначення абсолютного значення провідності в широкому частотному і температурному діапазонах використовується коефіцієнт відбиття електромагнітної хвилі від досліджуваного зразка

I                                       Введення

Вивчення мікрохвильових властивостей різних матеріалів, включаючи високотемпературні надпровідники (ВТНП), має важливе значення як при дослідженні ЇХ фізичних особливостей, так і при створенні пристроїв на їх основі Для вивчення їх ВЛАСТИВОСТЕЙ використовують різні підходи та методи Один ІЗ НИХ – це застосування різного типу резонаторних структур [1] Інший – використання нерезонансною техніки, заснованої на вимірюванні мікрохвильової ПОТУЖНОСТІ, що пройшла або відбитої від ВТНП плівки [1] При цьому для вимірювання пройшла ПОТУЖНОСТІ МОЖЛИВО досліджувати тільки тонкі зразки (порядку 10 нм для ВТСП), розміщені в поперечному перерізі хвилеводу [2] Коефіцієнт відображення жедля товстих плівок і обємних зразків З великою провідністю, розташованих перпендикулярно поздовжньої осі хвилеводу, близький до 1 І змінюється незначно при зміні їх провідності навіть у великих межах [3] Однак, при використанні падіння електромагнітної хвилі на поверхню досліджуваного зразка під ковзаючими кутами, є можливість отримати збільшення чутливості коефіцієнта відбиття до зміни провідності на порядок і більше [4] У даній роботі наводяться результати застосування, запропонованого авторами методу, для дослідження ВТСП – матеріалів з використанням коефіцієнта відбиття хвилі від зразка

II                               Основна частина

в дослідженнях використовувалися плівки УВагСізОу-б товщиною 300 нм, напилені на сапфіровою підкладці ТОВЩИНОЮ 03 мм з буферним шаром СеОг

Для проведення досліджень залежності комплексного коефіцієнта відбиття від температури створена експериментальна установка основу якої становить фазовий міст (рис1) Сигнал, що надходить від генератора мікрохвильового випромінювання (Г) За допомогою ХВИЛЕВОДНИХ трійника (Τρι) розділяється на два плеча, в одному з яких розташовані вимірювальні атенюатор (Аті) і фазообертач (Ф), а ВО другому розвязуючий атенюатор (АТР) і циркулятор (Ц) З циркулятора сигнал надходить в хвилеводну секцію (НД) З досліджуваним зразком, розташовану в криостате, що дозволяє проводити вимірювання до азотних температур Після взаємодії З досліджуваним зразком сигнал з волноводного трійника (ТР2) після детектування (Д) через пристрій сполучення (УС) надходить в компютер (ПК) ДЛЯ його подальшої обробки Температурні зміни на поверхні досліджуваного зразка записувалися за допомогою датчика температури на ПК синхронно з змінам фази і втрат в ньому Для управління процесом вимірювання була розроблена спеціальна програма, що дозволяє відстежувати зміни температури, виробляти компенсацію атенюатора і фазовращателя в опорному плечі фазового моста по мінімуму сигналу детектора, а також знімати їх показання для графічного відображення на екрані ПК

Рис 1 Блок-схема експериментальної установки, що використовується для вимірювання комплексного коефіцієнта відбиття

Fig 1 Scheme ofthe experimental setup for complex reflection coefficient measurement

Для отримання абсолютних значень коефіцієнта відбиття безпосередньо від зразка проводиться калібрування установки за характеристиками відомих матеріалів Звязок виміряного коефіцієнт відбиття з коефіцієнтом відбиття від зразка Ra, можна описати виразом [5]:

де коефіцієнти Ej ^, E ^ і Ej ^ обумовлені втратами І перевідбиваннями в СВЧ тракті Для отримання температурних залежностей всіх коефіцієнтів проводився цикл із трьох калібрувальних вимірювань З подальшим рішенням системи трьох рівнянь У кожній температурної точці з використанням табличних значень для провідностей калібрувальних зразків (мідь, титан і поглинач) Коефіцієнт відбиття від поглинача у всьому температурному діапазоні близький нулю, що підтверджується малим значенням КСВ від секції з таким зразком (менше 11), відповідно коефіцієнт Е ^, що визначає відображення від неоднорідностей У СВЧ тракті, дорівнюватиме измеренному коефіцієнту відбиття від секції з поглиначем

На рис2 представлені температурні залежності втрат (величина, зворотна коефіцієнту відбиття) ДЛЯ надпровідної плівки УВагСізОу-б

Рис 2 Залежності втрат для надпровідної плівки УВагСізОуп і трьох калібрувальних зразків на частоті 396 ГГц від температури Вставка – залежність коефіцієнта відбиття надпровідної плівки УВагСізОуп від температури

і трьох калібрувальних зразків, виміряні на частоті 396 ГГц Як видно з рис2, на надпровідному переході зміна втрат становить 15 дБ

Fig 2 УВагСізОуп superconducting fiim and three caiibration sampies iosses at 396 GHz \ / s temperature, inset – temperature dependence of the УВагСізОуп superconducting fiim refiection coefficient

Знаючи температурну залежність коефіцієнта відбиття, отриману з використанням калібрувальних кривих для міді, титану та поглинача можна отримати абсолютний коефіцієнт відбиття (див вставку рис2), а отже і абсолютні значення провідності досліджуваного зразка залежно від температури в широкому діапазоні частот (смуга пропускання хвилеводу)

III                                   Висновок

Таким чином, даний метод дозволяє проводити дослідження надпровідників та споріднених матеріалів, провідність яких змінюється під дією зовнішніх факторів у широкому частотному і температурному діапазоні

Показано, що використання калібрувальних даних про абсолютних значеннях коефіцієнта відбиття відомих матеріалів дає можливість отримувати в ході проведення досліджень такі характеристики як провідність і поверхневий імпеданс ВТНП

IV                            Список літератури

[ЦА Р Jenkins, К S Kale and D Dew-Hughes Studies of High Temperature Superconductors 1996, V 17, pp 179-219

[2]  P H Wu and Q Min J Appl Phys 1992, V 71, pp 5550- 5553

[3]  H S Somai, B J Feenstra, J ScliUtzmann, Jae Hoon Kim,

Z H Barber, V H IVI Duijn, N T Hien, A A Menovsky,

Mario Palumbo and D van derMarel Phys Rev Lett 1996,

V 76, pp 1525-1528

[4]  N T Cherpak, A I Gubin and A A Lavrinovich Microwave Reflectivity of HTS Film – Dielectric Substrate Structure at Arbitrary Incidence Angles Telecommunications and Radio Engineering 2001, V 55, N 3, pp 81 -89

[5]  J C Booth, D H Wu, S M Aniage A Broadband Method for the Measurement of the Surface Impedance of Thin Films at Microwave Frequencies Rev Sci Instrum 1994, V 65, pp 2082-2090

GRAZING INCIDENCE REFLECTIVITY TECHNIQUE OF HTS AND RELATED MATERIALS MICROWAVE CHARACTERIZATION

Gubin A I, Lavrinovich A A, Cherpak N T

A  Ya Usiiiov institute for Radiophysics and Eiectronics Nationai Academy of Science of Ui<raine

12,           Acad Prosiiura str, Khari<iv, 61085, Ui<.raine Ph: (8-057) 7203363, e-maii: gubin@irei<hari<ovua

Abstract – Non-resonant nondestructive grazing incidence reflectivity technique of HTS and relative materials characterization has been shown Electromagnetic wave reflection coefficient was used in order to determine absolute value of complex conductivity in wide temperature and frequency range

I                                         Introduction

Different techniques are used for microwave characterization of HTS and related materials One of them is based on different types of resonant structures [1] The other is based on the use of measuring power transmitted through or reflected from HTS film [1] Presented in this paper are the first results of novel technique application It is based on investigation of HTS- materials by means of measurement of sample grazing incidence reflection coefficient

II                                        Main Part

Experimental setup based on phase bridge method [6] for investigation of temperature dependence of complex reflection coefficient was developed (Fig1) 300 nm thick УВагСізОу- films deposited on 03 mm sapphire substrate with СеОг buffer layer were used for investigations

Setup calibration using known samples characteristics was performed in order to obtain absolute values of reflection coefficient Relation of the measured Rm and actual Ra reflection coefficient could be derived [5] using coefficients, which are determined by reflections and loses in the microwave transmission line

III                                       Conclusion

It is possible to obtain such HTS characteristics as complex conductivity or surface impedance using measured complex reflection coefficient, calibrated by absolute values of reflection coefficient ofthe known materials

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