В Астрокосмическом центре Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (АКЦ ФИАН) впервые в России создан криогенный приемник, способный детектировать радиосигналы на частотах 220–280 ГГц. Его крайне высокая квантовая чувствительность и малый уровень потерь сигналов достигаются благодаря охлаждению до сверхнизких температур. В перспективе такие приборы предполагается использовать в работе как наземных, так и космических обсерваторий миллиметрового и субмиллиметрового диапазона.
Приемник с квантовой чувствительностью
Фото: Предоставлено АКЦ ФИАН
Приемник с квантовой чувствительностью
Фото: Предоставлено АКЦ ФИАН
Миллиметровый диапазон длин волн очень важен для космических исследований. Химия космоса, поиск сложных органических молекул в межзвездной среде, исследования объектов ранней Вселенной и активных ядер галактик — неполный перечень областей его применения. Именно в миллиметровом диапазоне были получены изображения теней сверхмассивных черных дыр в нашей Галактике и в галактике M87. Однако сегодня космос все еще недостаточно хорошо изучен в миллиметровом диапазоне (от 30 ГГц до 300 ГГц). Отчасти это связано со сложностью изготовления приемных антенн и детекторов, работающих на этих длинах волн, отчасти — с малой прозрачностью атмосферы Земли в миллиметровом диапазоне. Поверхность таких антенн должна быть намного более точной по сравнению с обычным радиотелескопом. Для изготовления детекторов требуются элементы микроскопических размеров, поэтому технологически их изготовление — крайне сложная задача. Только несколько стран в мире способны изготовить миллиметровые приемники достаточной для космических исследований чувствительности. Теперь в их число уверенно входит и Россия.
Новый российский приемник работает на частотах 220–280 ГГц (длина волны — около 1,2 мм). Для достижения сверхвысокой чувствительности его необходимо охладить до температуры кипения жидкого гелия — 4К. Благодаря столь низким температурам элементы микросхемы прибора, изготовленные из ниобия, переходят в сверхпроводящее состояние. Именно сверхпроводимость и делает параметры нового детектора уникальными. Она позволяет достичь квантовой чувствительности детектора и малых потерь сигналов в соединительных линиях.
«Стандартная полупроводниковая электроника ограничена по скорости и неэффективна для приема очень слабых терагерцовых сигналов,— пояснил руководитель лаборатории терагерцовых приборов и технологий АКЦ ФИАН Андрей Худченко.— Поэтому наш новый приемник работает по гетеродинному принципу. Суть его в том, что измеряемый высокочастотный сигнал сравнивается с сигналом опорного генератора на чувствительном сверхпроводниковом элементе. Результат этого сравнения выпадает на низкие частоты порядка 1 ГГц и без потери качества обрабатывается стандартной электроникой. Более того, гетеродинные приемники позволяют сохранять информацию как об амплитуде, так и о фазе сигнала. А значит, из телескопов, оснащенных такими приемниками, можно создать интерферометр».
Фото: Предоставлено АКЦ ФИАН
Фото: Предоставлено АКЦ ФИАН
У детекторов этого типа есть еще одна полезная особенность. Они обладают сверхвысоким частотным разрешением, что чрезвычайно ценно для космических исследований в миллиметровом диапазоне. Ведь именно здесь сосредоточено колоссальное количество узких спектральных линий, создаваемых сложными молекулами. Эти линии дают уникальную информацию о химическом составе, кинематике и физических параметрах межзвездной среды.
Созданный в Астрокосмическом центре ФИАН прибор — самый чувствительный приемник высокого разрешения в своем диапазоне частот на сегодняшний день в нашей стране. Эта разработка стала возможна в результате плодотворного сотрудничества ИРЭ РАН и АКЦ. Все компоненты смесителя, «сердца» приемника, изготовлены в России и соединены в работающий прибор в АКЦ.
Сейчас лаборатория терагерцовых приборов и технологий продолжает работу по оптимизации приемника и улучшению его базовых характеристик. В частности, в ближайшее время планируется кратно улучшить его чувствительность за счет оптимизации параметров туннельных сверхпроводящих наноструктур и конструкции. Также ведется работа по созданию более сложной и продвинутой модификации приемника — детектора с разделением боковых полос. Эта версия прибора станет идеальным вариантом для использования как на борту космической обсерватории «Миллиметрон», так и на наземных радиоастрономических телескопах.