Низкотемпературный сублиллиметровый спектрометр
Использование: область спектральных приборов, спектроскопия газов, жидкостей и твердых тел при температурах жидкого гелия. Сущность изобретения: в качестве источника излучения используют помещенный вместе с измерительной камерой и приемником излучения в том же криостате в жидком гелии перестраиваемый субмиллиметровый импульсный квантовый генератор на горячих носителях тока в полупроводнике в скрещенных электрическом и магнитном полях, торец активного элемента которого служит входным окном измерительной камеры, и получают условия для соотношения размеров охлаждаемой и неохлаждаемой площадей поверхности ёктивного элемента и частоты следования электрических импульсов питания квантового генератора. 1 з.п. ф-лы, 1 ил. сл с
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (19) (11) (s1)s G 01 J 3/00
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ 0 (А)
С>
К АВТОРСКОМУ СВИ4ЕТЕЛЬСТВУ (21) 4851435/25 (22) 16,07,90 (46) 23,09.92 . Бюл. N 35 (71) Физический институт им, П.Н,Лебедева и Институт спектроскопии АН СССР (72) Ю.А,Митягин, В.Н.Мурзин, С.А,Стоклицкий, И.M.Ìåëüíè÷óê, С.Н,Мурзин и
О.Н.Степанов (56) 0Я,Willeyetal, J, Chem, Phys„1988, 89, N . 4. с, 1923 — 1928.
J, К, Messer, F.Ñ. Lucia, Measurement of
pressure - broadening parameters for the СОНе system at 4К, Physical Reviего Letters., 1984, 53, Nò 27, с. 2555-2558. (54) НИЗКОТЕМПЕPATYPНЫЙ СУБМИЛЛИМЕТРОВЫЙ СПЕKTPOMETP (57) Использование: область спектральных приборов, спектроскопия газов, жидкостей
Изобретение относится к спектральным приборам и может быть использовано в спектроскопии газов, жидкостей и твердых тел при температурах жидкого гелия, Известен низкотемперату рный субмиллиметровый спектрометр, содержащий клистронный генератор излучения, погруженную в жидкий гелий измерительную камеру и погруженный в отдельный криостат с жидким гелием приемник излучения, предназначенный для спектроскопических измерений в газах при гелиевых температурах.
В качестве прототипа выбран низкотемпературный субмиллиметровый спектрометр, предназначенный для спектральных исследований газов при гелиевых температурах, Спектрометр состоит из клистронного генератора субмиллиметрового и твердых тел при температурах жидкого гелия, Сущность изобретения: в качестве источника излучения используют помещенный вместе с измерительной камерой и приемником излучения в том же криостате в жидком гелии перестраиваемый субмиллиметровый импульсный квантовый генератор на горячих носителях тока в полупроводнике в скрещенных электрическом и магнитном полях, торец активного элемента которого служит входным окном измерительной камеры, и получают условия для соотношения размеров охлаждаемой и неохлаждаемой площадей поверхности активного элемента и частоты следования электрических импульсов питайия квантового генератора, 1 з.п. ф-лы, 1 ил, излучения при комнатной температуре и погруженных в криостат с жидким гелйем измерительной камеры и приемника излуче ния, Недостатком такого спектрометра является наличие теплового фонового излучения комнантной температуры от клистронного генератора и оптических элементов, соединяющих генератор с измерительной камерой, что ограничивает чувствительность спектрометра и создает дополнительные потери излучения на соединительных оптических элементах. Наличие теплового фонового излучения, воздействующего на исследуемые объекты, не позволяет исследовать их в равновесных состояниях при гелиевых температурах, Цель изобретения — расширение класса исследуемых объектов и повышение чувствительностии низкотемпературного спектро1763902 метра за счет уменьшения интенсивности теплового фонового излучения, а также снижение потерь на соединительных оптических элементах при одновременном повышении его компактности. 5
Поставленная цель достигается размещением в одном криостате с жидким гелием всех элементов спектрометра, а именно, перестраиваемого по частоте узкополосного источника излучения, измерительной каме- 10 ры и приемника излучения. Во всех известных субмиллиметровых спектрометрах это было невозможно из-за значительных габаритов и неприспособленности к оаботе в жидком гелии электронных генераторов — 15 источников излучения или диспергирующих систем (например, как в случае описанного прототипа). В предлагаемом спектрометре это оказалось возможным благодаря использованию в качестве источника излуче- 20 ния перестраиваемого субмиллиметрового полупроводникового квантового генератора (лазера) на горячих носителях тока, работающего при температурах жидкого гелия.
При этом для предотвращения помех, воз- 25 никающих при кипении гелия в процессе работы источника, торец активного элемента последнего используется в качестве входного окна измерительной камеры, причем неохлаждаемая жидким гелием пло- 30 щадь поверхности активного элемента S> удовлетворяет условию
S1 S12 (1 + k12/k), (1) а источник питания лазера выполнен так, что частота I следования электрических им- 35 пульсов накачки, подаваемых на активный элемент лазера, соответствует условию
1 3($ $$113. 1 (2)
Т вЂ” F С где V — объем активного элемента;
$1г — площадь поперечного сечения кристалла активного элемента; 45
S> — неохлаждаемая жидким гелием площадь поверхности активного элемента;
S — общая площадь поверхности активного элемента;
С вЂ” удельная объемная теплоемкость 50 кристалла активного элемента;
k1z — коэффициент теплопередачи между охлаждаемой и неохлаждаемой частями активного элемента;
k — коэффициент теплопередачи с ох- 55 лаждаемой поверхности активного элемента в жидкий гелий;
F — импульсная плотность мощности электрической накачки; т — длительность электрического импульса накачки лазера;
Тпред — предельная температура активного элемента, выше которой происходит срыв генерации лазера на горячих носителях, Кроме того, для защиты измерительной камеры от магнитного поля лазера между камерой и активным элементом может быть помещен сверхпроводящий магнитный экран, На чертеже показана конструкция спектрометра.
Спектрометр содержит полупроводниковый субмиллиметровый лазер, состоящий из активного элемента 1 и сверхпроводящего соленоида 2, которые погружены в криостат 3 с жидким гелием, измерительную камеру 4, входным окном которой служит торец 5 активного элемента 1 и в которой размещены исследуемый образец 6 с диафрагмами 7 и приемник излучения 8, магнитный экран 9.
Спектрометр работает. следующим образом.
Субмиллиметровое излучение, выходящее из активного элемента 1 через торец 5, проходит через образец 6 и попадает на приемник излучения 8, который преобразует интенсивность пропущенного образца излучения в электрический сигнал, выводимый из криостата для обработки. Диафрагмы 7 защищают приемник от рассеянного излучения, Сканирование по спектру производится изменением тока в соленоиде 2, Защита измерительной камеры 4 от магнитного поля соленоида обеспечивается сверхпроводящим магнитным экраном 9.
Активный элемент лазера изготовлен из монокристалла дырочного германия с концентрацией примеси галлия 7х10 см и имеет форму прямоугольного параллелепипеда с размерами Зхбх30 мм . Накачка проз изводится электрическими импульсами, приложенными к противоположным граням активного элемента, отстоящим на 6 мм друг от друга, При напряженности поля в импульсах Е = 2, ..., 4 кВ/см и длительности их т = 10 с с частотой повторения f =- 10 Гц полупроводниковый лазер генерирует монохооматическую линию шириной менее 0,2 см, которая при изменении напряженности магнитного поля от 16 до 54 кЭ плавно перестраивается в диапазоне от 30 до 100 см . Соединение одного из торцов активного элемента с измерительной камерой выводит из теплоконтакта с жидким гелием площадь кристалла S> =0,5 см, что удовлетворяет условию (1). Частота следования им1763902 пульсов накачки удовлетворяет условию (2), которое в представленном случае приобретает вид f < 10 Гц, что предотвращает срыв генерации от перегрева кристалла. Использованные в этих оценках значения парамет- 5 ров Tnpep = 20 К и k = 25х10 Вт/(M К) определены из экспериментов по срыву генерации, соответственно, в режиме одиноч-ных импульсов при t = 10 мкс и в рабочем
--.. режиме при увеличении частоты следова- 10
:ния импульсов до момента срыва генерации (В данном случае f = 100 Гц при т = 1 мкс и
P =- 2х10 Вт). Зеркалами лазерного резо4 натора служат противоположные торцы активного элемента, полированные плоско- 15 параллельно. В случае использования отдельно отстоящих зеркал спектрометр позволяет осуществлять измерения методом внутрирезонаторной лазерной спектроскопии. 20
Предложенная конструкция спектрометра компактна и обеспечивает уменьшение уровня фонового излучения до температуры жидкого гелия, что приводит к повышению чувствительности спектраль- 25 ных измерений и позволяет исследовать при низких температурах образцы в равновесных состояниях, Формула изобретения
1, Низкотемпературный субмиллимет- 30 ровый спектрометр, содержащий перестраиваемый источник монохроматического излучения и погруженные в криостат с жидким гелием измерительную камеру и приемник излучения, отличающийся тем, 35 что, с целью повышения чувствительности за счет уменьшения интенсивности теплового фонового излучения и расширения класса исследуемых объектов, снижения потерь на соединительных оптических эле- 40 ментах при одновременном повышении его компактности, в качестве источника излучения использован помещенный в криостате в жидкий гелий перестраиваемый субмиллиметровый импульсный лазер на горячих но- 45 сителях тока в полупроводнике в
- скрещенных электрическом и магнитном полях, торец активного элемента которого служит входным окном измерительной камеры, при этом неохлаждаемая жидким гелием пл4щадь поверхности активного элемента S< удовлетворяет условию
S< Ь,(1+ — ""), k источник питания лазера выполнен так, что частота f следования электрических импульсов, подаваемых на активный элемент лазера, соответствует условию
1 где V — объем активного элемента;
$а — площадь поперечногосечения кристалла активного элемента;
S> — неохлаждаемая жидким гелием площадь поверхности активного элемента;
S — общая площадь поверхности активного элемента;
С вЂ” удельная объемная теплоемкость кристалла активного элемента; г — коэффициент теплопередачи между охлаждаемой и .неохлаждаемой частями активного элемента;
k — коэффициент теплопередачи с охлаждаемой поверхности активного элемента в жидкий гелий;
=F — импульсная плотность мощности электрической накачки; т — длительность электрического импульса лазера;
Tnpep — предельная температура активного элемента, выше которой происходит срыв генерации лазера на горячих носителях.
2. Спектрометр по и. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью защиты измерительной камеры от воздействия магнитного поля полупроводникового квантового генератора, между активным элементом и измерительной камерой помещен сверхпроводящий магнитный экран.
1763902
Составитель О.Степанов
Техред М.Моргентал Корректор З,Салко
Редактор Т.Шагова
Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101
Заказ 3450 Тираж Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
