Ученые НГТУ НЭТИ разрабатывают криогенное оборудование для квантовых исследований
В Новосибирском государственном техническом университете НЭТИ создают опытные образцы криогенных СВЧ-усилителей, необходимых для изучения квантовых свойств различных объектов.
Проект «Разработка и экспериментальное исследование гибридных интегральных микросборок криогенного малошумящего СВЧ-усилителя» победил в номинации «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» по итогам конкурсов на получение грантов РНФ Президентской программы исследовательских проектов.
«Разработка криогенной электроники для измерения параметров и состояний различных квантовых структур является одним из направлений работы лаборатории квантовой криогенной электроники (ЛККЭ) НГТУ НЭТИ, — рассказал доцент кафедры конструирования и технологии радиоэлектронных средств НГТУ НЭТИ, кандидат технических наук Дмитрий Вольхин. — В рамках этого направления коллективом лаборатории, частью которого я являюсь, разработаны опытные образцы малошумящих криогенных СВЧ-усилителей различных диапазонов частот. Такие усилители работают при температуре 4 Кельвина внутри криоустановок в составе измерительных систем и необходимы для изучения квантовых свойств различных объектов. В качестве активных элементов в разработанных усилителях используются зарубежные коммерчески доступные СВЧ-транзисторы, которые определяют основные параметры: коэффициент усиления, коэффициент шума, ширина полосы рабочих частот, потребляемая мощность.
Для улучшения основных параметров криогенных усилителей естественным направлением видится переход от корпусных транзисторов и печатной технологии к полностью интегральной технологии изготовления таких устройств, то есть изготовление криогенных СВЧ интегральных микросхем. Очередным шагом на этом пути является задача моего исследования в рамках проекта, поддержанного Российским научным фондом, а именно — исследование существующих отечественных СВЧ-транзисторов в бескорпусном исполнении на предмет их работоспособности при криогенных температурах и создание из них опытных образцов криогенных СВЧ-усилителей».
Как отмечает Дмитрий, при охлаждении СВЧ-усилителей уменьшается их собственный шум. Это значит, что такие устройства становятся способными принимать и усиливать сигналы сверхмалых энергий. Кроме того, снижается тепловой шум окружающей среды — уменьшается шумовой фон, на котором слабые сигналы становятся различимыми. Эти свойства определяют температурные условия работы криогенных СВЧ-усилителей, которые по своему принципу действия мало отличаются от своих аналогов, работающих при комнатной температуре. Однако к криогенным СВЧ-усилителям предъявляются жесткие требования по уровню коэффициента шума, коэффициента усиления и рассеиваемой мощности. Последний параметр связан с ограничениями криогенных установок на мощность охлаждаемых устройств. Чем ниже температура, тем менее мощные устройства можно охладить, счет идет на милливатты. Однако важно обеспечить значительное усиление сигнала, которое требует затрат мощности. Это одно из технических противоречий, возникающих при проектировании криогенной электроники.
По словам разработчика, научные результаты данного исследования дадут информацию о свойствах и параметрах активных элементов, работающих при криогенных температурах, которая позволит в дальнейшем проектировать криогенные СВЧ-устройства в виде гибридных интегральных сборок и будет полезна при проектировании полностью интегральных СВЧ-микросхем. Практические результаты, представляющие собой опытные образцы гибридных интегральных сборок криогенного СВЧ-усилителя, будут применены в ЛККЭ и других заинтересованных лабораториях в криогенных измерительных установках. Применение именно отечественных СВЧ-транзисторов нацелено на создание собственных инструментов для научной работы различных лабораторий взамен зарубежных аналогов. Исследование и создание таких устройств предполагает развитие технологических операций в ЛККЭ, повышение надежности и качества эксперимента при охлаждении устройств, проверку различных материалов, необходимых при изготовлении опытных образцов. Все это также составляет научную и практическую значимость исследования.
По данному проекту в настоящий момент разрабатывается оснастка для проведения исследований транзисторов, составляются планы экспериментов, оцениваются сроки, то есть идет планомерная подготовка к экспериментальной части. В течение года будут созданы опытные образцы гибридных интегральных сборок криогенного СВЧ-усилителя, которые затем будут применены при измерениях параметров квантовых структур. В результате будет получен надежный и качественный инструмент для научных исследований в области криогенной квантовой электроники.