Низкотемпературный сублиллиметровый спектрометр Советский патент 1992 года по МПК G01J3/00 

Изобретение относится к спектральным приборам и может быть использовано в спектроскопии газов, жидкостей и твердых тел при температурах жидкого гелия.

Известен низкотемпературный суб- миллиметровый спектрометр, содержащий клистронный генератор излучения, погруженную в жидкий гелий измерительную камеру и погруженный в отдельный кри- остат 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 клист- ронного генератора субмиллиметрового

излучения при комнатной температуре и погруженных в криостат с жидким гелием 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 чувст- вительность 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 чувствительности низкотемпературного спектроVI

О СО

о

О Ю

метра 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 работе 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 Si удовлетворяет условию

Si Si2(1+ ki2/k),(1)

а источник питания лазера выполнен так, что частота I следования электрических импульсов накачки, подаваемых на активный элемент лазера, соответствует условию

. k(S-Si). VC

1

где V - объем активного элемента;

Si2 - площадь поперечного сечения кристалла активного элемента;

Si - неохлаждаемая жидким гелием площадь поверхности активного элемента;

S - общая площадь поверхности активного элемента;

С - удельная объемная теплоемкость кристалла активного элемента;

К12 - коэффициент теплопередачи между охлаждаемой и неохлаждаемой частями активного элемента;

к - коэффициент теплопередачи с охлаждаемой 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

5 срыв генерации лазера на горячих носителях.

Кроме того, для защиты измерительной камеры от магнитного поля лазера между камерой и активным элементом может быть

10 помещен сверхпроводящий магнитный экран.

На чертеже показана конструкция спектрометра.

Спектрометр содержит полупроводни15 ковый субмиллиметровый лазер, состоящий из активного элемента 1 и сверхпроводящего соленоида 2, которые погружены в кри- остат 3 с жидким гелием, измерительную камеру 4, входным окном которой служит

20 торец 5 активного элемента 1 и в которой размещены исследуемый образец б с диафрагмами 7 и приемник излучения 8, магнитный экран 9.

Спектрометр работает следующим об25 разом.

Субмиллиметровое излучение, выходящее из активного элемента 1 через торец 5, проходит через образец 6 и попадает на приемник излучения 8, который преобразу30 ет интенсивность пропущенного образца излучения в электрический сигнал, выводимый из криостата для обработки. Диафрагмы 7 защищают приемник от рассеянного излучения. Сканирование по спектру произ35 водится изменением тока в соленоиде 2, Защита измерительной камеры 4 от магнитного поля соленоида обеспечивается сверхпроводящим магнитным экраном 9.

Активный элементлазера изготовлен из

40 монокристалла дырочного германия с концентрацией примеси галлия 7x10 см и имеет форму прямоугольного параллелепипеда с размерами 3x6x30 мм3. Накачка производится электрическими импульсами,

45 приложенными к противоположным граням активного элемента, отстоящим на 6 мм друг от друга, При напряженности поля в

импульсах Е 24 кВ/см и длительности

их г с с частотой повторения f- 10 Гц

50 полупроводниковый лазер генерирует монохроматическую 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

55 см . Соединение одного из торцов активного элемента с измерительной камерой выводит из теплоконтакта с жидким гелием площадь кристалла Si 0,5 см , что удовлетворяет условию (1). Частота следования импульсов накачки удовлетворяет условию (2), которое в представленном случае приобретает вид f 102 Гц, что предотвращает срыв генерации от перегрева кристалла. Использованные в этих оценках значения параметров Тпред 20 К и k 2,5хЮ2 Вт/(м2 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 f 100 Гц при т 1 мкс и Р 2хЮ4 Вт). Зеркалами лазерного резонатора служат противоположные торцы активного элемента, полированные плоскопараллельно. В случае использования отдельно отстоящих зеркал спектрометр позволяет осуществлять измерения методом внутрирезонаторной лазерной спектроскопии.

Предложенная конструкция спектрометра компактна и обеспечивает уменьшение уровня фонового излучения до температуры жидкого гелия, что приводит к повышению чувствительности спектральных измерений и позволяет исследовать при низких температурах образцы в равновесных состояниях.

Формула изобретения 1. Низкотемпературный субмиллиметровый спектрометр, содержащий перестраиваемый источник монохроматического излучения и погруженные в криостат с жидким гелием измерительную камеру и приемник излучения, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности за счет уменьшения интенсивности теплового фонового излучения и расширения класса исследуемых объектое, снижения потерь на соединительных оптических элементах 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 магнитном

полях, торец активного элемента которого служит входным окном измерительной камеры, при этом неохлаждаемая жидким гелием плбщадь поверхности активного элемента Si удовлетворяет условию

Si 512(1+),

источник питания лазера выполнен так, что частота f следования электрических импуль- 10 сов, подаваемых на активный элемент лазера, соответствует условию

(S-Si). VC

1

In

пред

пред

-FT/C

где V - обьем активного элемента;

Si2 площадь поперечного сечения кристалла активного элемента; Si - неохлаждаемая жидким гелием площадь поверхности активного элемента; S - общая площадь поверхности активного элемента;

С - удельная объемная теплоемкость кристалла активного элемента;

ki2 - коэффициент теплопередачи между охлаждаемой и неохлаждаемой частями активного элемента;

k - коэффициент теплопередачи с ох- лаждаемой поверхности активного элемента в жидкий гелий;

-F - импульсная плотность мощности электрической накачки;

г - длительность электрического им- пульса лазера;

Тпред - предельная температура активного элемента, выше которой происходит срыв генерации лазера на горячих носителях.

2. Спектрометр поп. 1,отличающий- с я тем, что, с целью защиты измерительной камеры от воздействия магнитного поля полупроводникового квантового генератора, между активным элементом и измеритель- ной камерой помещен сверхпроводящий магнитный экран.

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 ёк- тивного элемента и частоты следования электрических импульсов питания квантового генератора. 1 з.п. ф-лы, 1 ил. сл с