Низкотемпературный сублиллиметровый спектрометр

(19 1,3 3 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ЕТЕЛЬСТВУ К АВТОРСКОМУ естве прототи ный субмилл едназначенньаний газов и Спектромет генератора па выбран низкотемиметровый спектрой для спектральных ри гелиевых темпер состоит из клист- субмиллиметрового Вка ператур метр, пр исследо ратурах ронногоГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Физический институт им, П.Н,Лебедева и Институт спектроскопии АН СССР (72) Ю.А,Митягин, В,Н.Мурзин, С.А,Стоклицкий, И.М,Мельничук, С.Н,Мурзин и О.Н.Степанов,3,К,Меззег, Р,СЛ оса, Меазцге 1 пепт о 1 ргеззцге - Ьгоабеппц рагагпетегз аког тпе СОНе зузтегп ат 4 К, Р 11 узса Веаего ецегз., 1984, 53, Мт 27, с. 2555-2558.(54) НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СУБМИЛЛИМЕТРОВЫЙ СПЕКТРОМЕТР(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 низкотемпературный 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. 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 ипогруженных в криостат с жидким гелйемизмерительной камеры и приемника излучения, Недостатком такого спектрометра яв- СЬляется наличие теплового фонового (Дизлучения комнантной температуры отклистронного генератора и оптических (-элементов, соединяющих генератор с измерительной камерой, что ограничивает чувствительность спектрометра и создаетдополнительные потери излучения на соединител ьн ых оптических элементах. Нал ичие теплового фонового излучения,воздействующего на исследуемые объекты,не позволяет исследовать их в равновесныхсостояниях при гелиевых температурах,Цель изобретения - расширение классаисследуемых объектов и повышение чувствительностии низкотемпературного спектрометра за счет уменьшения интенсивности теплового фонового излучения, а также снижение потерь на соединительных оптических элементах при одновременном повышении его компактности,Поставленная цель достигается размещением в одном криостате с жидким гелием всех элементов спектрометра, а именно, перестраиваемого по частоте узкополосного источника излучения, измерительной камеры и приемника излучения. Во всех известных субмиллиметровых спектрометрах это было невозможно из-за значительных габаритов и неприспособленности к оаботе в жидком гелии электронных генераторов - источников излучения или диспергирующих систем (например, как в случае описанного прототипа). В предлагаемом спектрометре это оказалось возможным благодаря использованию в качестве источника излучения перестраиваемого субмиллиметрового полупроводникового квантового генератора (лазера) на горячих носителях тока, работающего при температурах жидкого гелия. При этом для предотвращения помех, возникающих при кипении гелия в процессе работы источника, торец активного элемента последнего используется в качестве входного окна измерительной камеры, причем неохлаждаемая жидким гелием площадь поверхности активного элемента 31 удовлетворяет условию31312 (1 + к 12 й), (1) а источник питания лазера выполнен так, что частота следования электрических импульсов накачки, подаваемых на активный элемент лазера, соответствует условию(2) меж ями где Ч - объем активного элемента;312 - площадь поперечного сечения кристалла активного элемента;31 - неохлаждаемая жидким гел площадь поверхности активного элемеЯ - общая площадь поверхности ак ного элемента;С - удельная обьемная теплоемк кристалла активного элемента;к 12 - коэффициент теплопередачи ду охлаждаемой и неохлаждаемой част активного элемента;М - коэффициент теплопередачи с охлаждаемой поверхности активного элемента в жидкий гелий;Е - импульсная плотность мощности электрической накачки; т - длительность электрического импульса накачки лазера;Тпред - предельная температура активного элемента, выше которой происходит5 срыв генерации лазера на горячих носителях,Кроме того, для защиты измерительнойкамеры от магнитного поля лазера междукамерой и активным элементом может быть10 помещен сверхпроводящий магнитный экран,На чертеже показана конструкция спектрометра,Спектрометр содержит полупроводни 15 ковый субмиллиметровый лазер, состоящийиз активного элемента 1 и сверхпроводящего соленоида 2, которые погружены в криостат 3 с жидким гелием, измерительнуюкамеру 4, входным окном которой служит20 торец 5 активного элемента 1 и в которойразмещены исследуемый образец 6 с диафрагмами 7 и приемник излучения 8, магнитный экран 9,Спектрометр работает. следующим об 25 разом.Субмиллиметровое излучение, выходящее из активного элемента 1 через торец 5,проходит через образец 6 и попадает наприемник излучения 8, который преобразу 30 ет интенсивность пропущенного образцаизлучения в электрический сигнал, выводимый из криостата для обработки. Диафрагмы 7 защищают приемник от рассеянногоизлучения, Сканирование по спектру произ 35 водится изменением тока в соленоиде 2,Защита измерительной камеры 4 от магнитного поля соленоида обеспечивается сверхпроводящим магнитным экраном 9.Активный элементлазера изготовлен из40 монокристалла дырочного германия с концентрацией примеси галлия 7 х 10 см иимеет форму прямоугольного параллелепипеда с размерами Зхбх 30 мм, Накачка прозизводится электрическими импульсами,45 приложенными к противоположным гранямактивного элемента, отстоящим на 6 ммдруг от друга, При напряженности поля вимпульсах Е = 2, ., 4 кВ/см и длительностиих т= 10с с частотой повторения 1.= 10 Гц50 полупроводниковый лазер генерирует монохроматическую линию шириной менее 0,2. см, которая при изменении напряженности магнитного поля от 16 до 54 кЭ плавноперестраивается в диапазоне от 30 до 10055 см, Соединение одного из торцов активного элемента с измерительной камерой выводит из теплоконтакта с жидким гелием площадь кристалла 51 = 0,5 см, что удовлетворяет условию (1), Частота следования импульсов накачки удовлетворяет условию (2),которое в представленном случае приобретает вид 110 Гц, что предотвращает срывгенерации от перегрева кристалла, Использованные в этих оценках значения параметров Тпред = 20 К и Е = 2,5 х 10 Вт/(м К)определены из экспериментов по срыву генерации, соответственно, в режиме одиночных импульсов при т, = 10 мкс и в рабочем-режиме при увеличении частоты следования импульсов до момента срыва генерации(В данном случае 1 = 100 Гц при 7 = 1 мкс иР = 2 х 10 Вт). Зеркалами лазерного резо 4натора служат противоположные торцыактивного элемента, полированные плоскопараллельно, В случае использования отдельно отстоящих зеркал спектрометрпозволяет осуществлять измерения методом внутрирезонаторной лазерной спектроскопии. 20Предложенная конструкция спектрометоа компактна и обеспечивает уменьшение уровня фонового излучения дотемпературы жидкого гелия, что приводит кповышению чувствительности спектральных измерений и позволяет исследоватьпри низких температурах образцы в равновесных состояниях,Формула изобретения1, Низкотемпературный субмиллиметровый спектрометр, содержащий перестраиваемый источник монохроматического излучения и погруженные в криостат с жидким гелием измерительную камеру и приемник излучения, о т л и ч а ю щ и й с я 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 ментах при одновременном повышении его компактности, в качестве источника излучения использован помещенный в криостате в жидкий гелий перестраиваемый субмиллиметровый импульсный лазер на горячих но сителях тока в полупроводнике в скрещенных электрическом и магнитномполях, торец активного элемента которого служит входным окном измерительной камеры, при этом неохлаждаемая жидким гелием плбщадь поверхности активного элемента 31 удовлетворяет условию1 312(1 + - "),кисточник питания лазера выполнен так, что частота 1 следования электрических импульсов, подаваемых на активный элемент лазера, соответствует условию Я -3 ЧСмощно ческого ног срь лях ичающиймерительной ого поля по- генератора, измеритель- проводящий р по п.1, отл ю защиты из твия магнитквантового элементом и ещен сверх 2. Спектромет с ятем, что, с цел камеры от воздей лупроводниковог между активным ной камерой по магнитный экран- объем активного элем2 - площадь поперечног рс активного элемента;31 - неохлаждаемая жидким гелием площадь поверхности активного элемента;Я - общая площадь поверхноСти активного элемента;С - удельная объемная теплоемкость кристалла активного элемента;к 12 - коэффициент теплопередачи между охлаждаемой и.неохлаждаемой частями активного элемента;К - коэффициент теплопередачи с охлаждаемой поверхности активного элемента в жидкий гелий;;Р - импульсная плотность сти электрической накачки;т - длительность электри импульса лазера;Тпред - предельная температура активо элемента, выше которой происходит в генерации лазера на горячих носите1763902 Составитель О.Степаноедактор Т.Шагова Техред М.Моргентал орректор З,Са ГКНТ ССС оизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 10 Заказ 3450 Тираж ВНИИПИ Государственного комитета 113035, Москва, Ж