THERMAL SMEARING OF INFRARED PATTERN ON THE SURFACE OF A THIN FILM HTSC BOLOMETER
PACS numbers: 85.25.Pb,44.10.+jPurpose: Composite superconducting bolometers of various cooling levels are widely used in astronomy for detecting radiation in the far IR, submillimeter and millimeter wavelength ranges. The inter-element thermal crosstalk is one of the basic issues in the development...
Збережено в:
| Дата: | 2019 |
|---|---|
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | rus |
| Опубліковано: |
Видавничий дім «Академперіодика»
2019
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1312 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Radio physics and radio astronomy |
Репозитарії
Radio physics and radio astronomy| id |
oai:ri.kharkov.ua:article-1312 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Radio physics and radio astronomy |
| collection |
OJS |
| language |
rus |
| topic |
HTSC bolometer IR pattern thermal diffusion laser probe ВТСП болометр ИК изображение тепловая диффузия лазерный зонд ВТНП болометр ІЧ зображення теплова дифузія лазерний зонд |
| spellingShingle |
HTSC bolometer IR pattern thermal diffusion laser probe ВТСП болометр ИК изображение тепловая диффузия лазерный зонд ВТНП болометр ІЧ зображення теплова дифузія лазерний зонд Gordiyenko, E. Yu. Glushchuk, N. I. Turutanov, O. G. Fomenko, Yu. V. Shustakova, G. V. THERMAL SMEARING OF INFRARED PATTERN ON THE SURFACE OF A THIN FILM HTSC BOLOMETER |
| topic_facet |
HTSC bolometer IR pattern thermal diffusion laser probe ВТСП болометр ИК изображение тепловая диффузия лазерный зонд ВТНП болометр ІЧ зображення теплова дифузія лазерний зонд |
| format |
Article |
| author |
Gordiyenko, E. Yu. Glushchuk, N. I. Turutanov, O. G. Fomenko, Yu. V. Shustakova, G. V. |
| author_facet |
Gordiyenko, E. Yu. Glushchuk, N. I. Turutanov, O. G. Fomenko, Yu. V. Shustakova, G. V. |
| author_sort |
Gordiyenko, E. Yu. |
| title |
THERMAL SMEARING OF INFRARED PATTERN ON THE SURFACE OF A THIN FILM HTSC BOLOMETER |
| title_short |
THERMAL SMEARING OF INFRARED PATTERN ON THE SURFACE OF A THIN FILM HTSC BOLOMETER |
| title_full |
THERMAL SMEARING OF INFRARED PATTERN ON THE SURFACE OF A THIN FILM HTSC BOLOMETER |
| title_fullStr |
THERMAL SMEARING OF INFRARED PATTERN ON THE SURFACE OF A THIN FILM HTSC BOLOMETER |
| title_full_unstemmed |
THERMAL SMEARING OF INFRARED PATTERN ON THE SURFACE OF A THIN FILM HTSC BOLOMETER |
| title_sort |
thermal smearing of infrared pattern on the surface of a thin film htsc bolometer |
| title_alt |
ТЕПЛОВОЕ РАЗМЫТИЕ ИНФРАКРАСНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ТОНКОПЛЕНОЧНОГО ВТСП БОЛОМЕТРА ТЕПЛОВЕ РОЗМИТТЯ ІНФРАЧЕРВОНОГО ЗОБРАЖЕННЯ НА ПОВЕРХНІ ТОНКОПЛІВКОВОГО ВТНП БОЛОМЕТРА |
| description |
PACS numbers: 85.25.Pb,44.10.+jPurpose: Composite superconducting bolometers of various cooling levels are widely used in astronomy for detecting radiation in the far IR, submillimeter and millimeter wavelength ranges. The inter-element thermal crosstalk is one of the basic issues in the development of composite HTSC bolometer arrays. The smearing of the temperature pattern formed on the surface of an HTSC thin film/substrate structure by incident IR radiation is studied. The purpose of the work is to measure the spatial and temporal parameters of thermal smearing of an IR image on the film surface.Design/methodology/approach: The study exploits the method of scanning laser probe. The previously proposed approach to detect the spatial distribution of the intensity of external radiation using additional local thermal affect was also used. A laser beam focused on the surface heats a film area and brings it from superconducting to resistive state sensitive to external radiation. Scanning the entire structure with the laser probe is equivalent to moving the sensitive area thus providing the readout of the temperature pattern created by external radiation.Findings: The temperature relief is smeared due to thermal diffusion along the surface of an HTSC structure, which absorbs radiation. Thus, for a structure composed of YBa2Cu3O7-x thin film with the thickness of 200 nm on a 500 μm thick SrTiO3 substrate, the steady-state size of the thermal image is almost twice as large as the initial size of the IR image focused on the surface. The experimental data are consistent with the results of mathematical modeling of thermal processes during radiation absorption in the system. The thermal diffusion length and the characteristic time to achieve maximum heating of the film surface are studied as a function of the substrate thickness and the polling rate.Conclusions: Thermal smearing of IR images along the surface of composite HTSC bolometers imposes limitations on their spatial resolution, speed, and other parameters. Reducing such smearing can be achieved by decreasing the polling time and optimizing the thermal design of the film/substrate system. Since it is the thermal diffusion length, which determines the size of sensitive elements and the optimal spacing between them, the results can be used for designing the composite HTSC bolometer arrays.Key words: HTSC bolometer, IR pattern, thermal diffusion, laser probeManuscript submitted 18.04.2019 Radio phys. radio astron. 2019, 24(2): 136-143 REFERENCES1. GOSSORG, J., 1988. Infrared thermography. Fundamentals, Technique, Application. Moscow, Russia: Mir Publ. (in Russian).2. POSADA, C. M., ADE, P. A. R., AHMED, Z., ANDERSON, A. J., AUSTERMANN, J. E., AVVA, J. S., BASU THAKUR, R., BENDER, A. N., BENSON, B. A., CARLSTROM, J. E., CARTER, F. W., CECIL, T., CHANG, C. L., CLICHE, J. F., CUKIERMAN, A., DENISON, E. V., DE HAAN, T., DING, J., DIVAN, R., DOBBS, M. A., DUTCHER, D., EVERETT, W., FOSTER, A., GANNON, R. N., GILBERT, A., GROH, J. C., HALVERSON, N. W., HARKEHOSEMANN, A. H., HARRINGTON, N. L., HENNING, J. W., HILTON, G. C., HOLZAPFEL, W. L., HUANG, N., IRWIN, K. D., JEONG, O. B., JONAS, M., KHAIRE, T., KOFMAN, A. M., KORMAN, M., KUBIK, D., KUHLMANN, S., KUO, C. L., LEE, A. T., LOWITZ , A. E., MEYER, S. S., MICHALIK, D., MILLER, C. S., MONTGOMERY, J., NADOLSKI, A., NATOLI, T., NGUYEN, H., NOBLE, G. I., NOVOSAD, V., PADIN, S., PAN, Z., PEARSON, J., RAHLIN, A., RUHL, J. E., SAUNDERS, L. J., SAYRE, J. T., SHIRLEY, I., SHIROKOFF, E., SMECHER, G., SOBRIN, J. A., STAN, L., STARK, A. A., STORY, K. T., SUZUKI, A., TANG, Q. Y., THOMPSON, K. L., TUCKER, C., VALE, L. R., VANDERLINDE, K., VIEIRA, J. D., WANG, G., WHITEHORN, N., YEFREMENKO, V., YOON, K. W. and YOUNG, M. R., 2018. Fabrication of Detector Arrays for the SPT-3G Receiver. J. Low Temp. Phys. vol. 193, is. 5-6, pp. 703–711. DOI: https://doi.org/10.1007/s10909-018-1924-13. DELERUE, J., GAUGUE, A., TESTE, P., CARISTAN, E., KLISNICK, G., REGON, M. and KREISLER, A., 2003. YBCO mid-infrared bolometer arrays. IEEE Trans. Appl. Supercond. vol. 13, is. 2, pp. 176–179. DOI: https://doi.org/10.1109/TASC.2003.8136744. BEHNER, H., RÜHRNSCHOPF, K., WEDLER, G. and RAUCH, W., 1993. Surface reactions and long time stability of YBCO thin films. Physica C. vol. 208, is. 3-4, pp. 419–424. DOI: DOI : https://doi.org/10.1016/0921-4534(93)90216-D5. COPETTI, C. A., SCHUBERT, J., ZANDER, W., SOLTNER, H., POPPE, U. and BUCHAL, CH., 1993. Aging of superconducting YBa2Cu3O7-x structures on silicon. J. Appl. Phys. vol. 73, is. 3, pp. 1339–1342. DOI: https://doi.org/10.1063/1.3532526. KHREBTOV, I. A., 2002. Noise properties of high temperature superconducting bolometers. Fluct. Noise Lett. vol. 2, no. 2, pp. R51–R70. DOI: https://doi.org/10.1142/S02194775020006717. VERGHESE, S., RICHARDS, P. L., CHAR, K., FORK, D. K. and GEBALLE, T. H., 1992. Feasibility of infrared imaging ging arrays arrays using using high high T T c c superconducting bolometers. J. Appl. Phys. vol. 71, is. 6, pp. 2491–2498. DOI: https://doi.org/10.1063/1.3510638. KREISLER, A. J. and GAUGUE, A., 2000. Recent progress in high-temperature superconductor bolometric detectors: from the mid-infrared to the far-infrared (THz) range. Supercond. Sci. Technol. vol. 13, is. 8, pp. 1235–1245. DOI: https://doi.org/10.1088/0953-2048/13/8/3219. GORDIYENKO, E. YU., SLIPCHENKO, N. I. and GARBUZ, A. S., 2002. High temperature superconducting microthermometers for multi-elements IR radiation detectors. Radioelectronika i informatika. no. 3, pp. 38–41. (in Russian). Available from: https://cyberleninka.ru/article/n/vysokotemperaturnye-sverhprovodnikovye-mikrotermo-metry-dlya-mnogoelementnyh-priemnikov-ik-izlucheniya10. ZHURAVEL, A. P., SIVAKOV, A. G., TURUTANOV, O. G., OMELYANCHOUK, A. N., ANLAGE, S. M., LUKASHENKO, A., USTINOV, A. V. and ABRAIMOV, D., 2006. Laser scanning microscopy of HTS films and devices (Review Article). Low Temp. Phys., vol. 32, no. 6, pp. 592–607. DOI: https://doi.org/10.1063/1.221537611. FARDMANESH, M., ROTHWARF, A. and SCOLES, K. J., 1995. YBa2Cu3O7-x infrared bolometers: Temperature dependent responsivity and deviations from the dR/dT curve. J. Appl. Phys. vol. 77, is. 9, pp. 4568–4575. DOI: https://doi.org/10.1063/1.35942012. ZHURAVEL, A. P., USTINOV, A. V., ABRAIMOV, D. and ANLAGE, S. M., 2003. Imaging local sources of inter-modulation in superconducting microwave devices. IEEE Trans. Appl. Supercond. vol. 13, is. 2, pp. 340–343. DOI: https://doi.org/10.1109/TASC.2003.81373113. YEFREMENKO, V., GORDIYENKO, E., PISHKO, V., PISHKO, O. and NOVOSAD, V., 2007. Method for detection and imaging over a broad spectral range. US Patent No. 7,274,019 B2.14. YEFREMENKO, V., GORDIYENKO, E., SHUSTAKOVA, G., BADER, S. D. and NOVOSAD, V., 2005. Superconducting microbolometer with controllable coordinate sensitivity: an alternative approach to FPA design. In: B. F. ANDRESEN and G. F. FULOP, eds. Proceedings of SPIE. Infrared Technology and Application XXXI. vol. 5783,pp. 967–973. DOI: https://doi.org/10.1117/12.60364715. GORDIYENKO, E., SHUSTAKOVA, G., FOMENKO, YU. V. and GLUSHCHUK, N. I., 2013. Thermal Imaging System Based on a High Temperature Superconductor. Instrum. Exp. Tech. vol. 56, is. 4. pp. 485–490. DOI: https://doi.org/10.1134/S0020441213030196 |
| publisher |
Видавничий дім «Академперіодика» |
| publishDate |
2019 |
| url |
http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1312 |
| work_keys_str_mv |
AT gordiyenkoeyu thermalsmearingofinfraredpatternonthesurfaceofathinfilmhtscbolometer AT glushchukni thermalsmearingofinfraredpatternonthesurfaceofathinfilmhtscbolometer AT turutanovog thermalsmearingofinfraredpatternonthesurfaceofathinfilmhtscbolometer AT fomenkoyuv thermalsmearingofinfraredpatternonthesurfaceofathinfilmhtscbolometer AT shustakovagv thermalsmearingofinfraredpatternonthesurfaceofathinfilmhtscbolometer AT gordiyenkoeyu teplovoerazmytieinfrakrasnogoizobraženiânapoverhnostitonkoplenočnogovtspbolometra AT glushchukni teplovoerazmytieinfrakrasnogoizobraženiânapoverhnostitonkoplenočnogovtspbolometra AT turutanovog teplovoerazmytieinfrakrasnogoizobraženiânapoverhnostitonkoplenočnogovtspbolometra AT fomenkoyuv teplovoerazmytieinfrakrasnogoizobraženiânapoverhnostitonkoplenočnogovtspbolometra AT shustakovagv teplovoerazmytieinfrakrasnogoizobraženiânapoverhnostitonkoplenočnogovtspbolometra AT gordiyenkoeyu teploverozmittâínfračervonogozobražennânapoverhnítonkoplívkovogovtnpbolometra AT glushchukni teploverozmittâínfračervonogozobražennânapoverhnítonkoplívkovogovtnpbolometra AT turutanovog teploverozmittâínfračervonogozobražennânapoverhnítonkoplívkovogovtnpbolometra AT fomenkoyuv teploverozmittâínfračervonogozobražennânapoverhnítonkoplívkovogovtnpbolometra AT shustakovagv teploverozmittâínfračervonogozobražennânapoverhnítonkoplívkovogovtnpbolometra |
| first_indexed |
2024-05-26T06:29:25Z |
| last_indexed |
2024-05-26T06:29:25Z |
| _version_ |
1800358365305503744 |
| spelling |
oai:ri.kharkov.ua:article-13122020-06-09T10:29:06Z THERMAL SMEARING OF INFRARED PATTERN ON THE SURFACE OF A THIN FILM HTSC BOLOMETER ТЕПЛОВОЕ РАЗМЫТИЕ ИНФРАКРАСНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ТОНКОПЛЕНОЧНОГО ВТСП БОЛОМЕТРА ТЕПЛОВЕ РОЗМИТТЯ ІНФРАЧЕРВОНОГО ЗОБРАЖЕННЯ НА ПОВЕРХНІ ТОНКОПЛІВКОВОГО ВТНП БОЛОМЕТРА Gordiyenko, E. Yu. Glushchuk, N. I. Turutanov, O. G. Fomenko, Yu. V. Shustakova, G. V. HTSC bolometer; IR pattern; thermal diffusion; laser probe ВТСП болометр; ИК изображение; тепловая диффузия; лазерный зонд ВТНП болометр; ІЧ зображення; теплова дифузія; лазерний зонд PACS numbers: 85.25.Pb,44.10.+jPurpose: Composite superconducting bolometers of various cooling levels are widely used in astronomy for detecting radiation in the far IR, submillimeter and millimeter wavelength ranges. The inter-element thermal crosstalk is one of the basic issues in the development of composite HTSC bolometer arrays. The smearing of the temperature pattern formed on the surface of an HTSC thin film/substrate structure by incident IR radiation is studied. The purpose of the work is to measure the spatial and temporal parameters of thermal smearing of an IR image on the film surface.Design/methodology/approach: The study exploits the method of scanning laser probe. The previously proposed approach to detect the spatial distribution of the intensity of external radiation using additional local thermal affect was also used. A laser beam focused on the surface heats a film area and brings it from superconducting to resistive state sensitive to external radiation. Scanning the entire structure with the laser probe is equivalent to moving the sensitive area thus providing the readout of the temperature pattern created by external radiation.Findings: The temperature relief is smeared due to thermal diffusion along the surface of an HTSC structure, which absorbs radiation. Thus, for a structure composed of YBa2Cu3O7-x thin film with the thickness of 200 nm on a 500 μm thick SrTiO3 substrate, the steady-state size of the thermal image is almost twice as large as the initial size of the IR image focused on the surface. The experimental data are consistent with the results of mathematical modeling of thermal processes during radiation absorption in the system. The thermal diffusion length and the characteristic time to achieve maximum heating of the film surface are studied as a function of the substrate thickness and the polling rate.Conclusions: Thermal smearing of IR images along the surface of composite HTSC bolometers imposes limitations on their spatial resolution, speed, and other parameters. Reducing such smearing can be achieved by decreasing the polling time and optimizing the thermal design of the film/substrate system. Since it is the thermal diffusion length, which determines the size of sensitive elements and the optimal spacing between them, the results can be used for designing the composite HTSC bolometer arrays.Key words: HTSC bolometer, IR pattern, thermal diffusion, laser probeManuscript submitted 18.04.2019 Radio phys. radio astron. 2019, 24(2): 136-143 REFERENCES1. GOSSORG, J., 1988. Infrared thermography. Fundamentals, Technique, Application. Moscow, Russia: Mir Publ. (in Russian).2. POSADA, C. M., ADE, P. A. R., AHMED, Z., ANDERSON, A. J., AUSTERMANN, J. E., AVVA, J. S., BASU THAKUR, R., BENDER, A. N., BENSON, B. A., CARLSTROM, J. E., CARTER, F. W., CECIL, T., CHANG, C. L., CLICHE, J. F., CUKIERMAN, A., DENISON, E. V., DE HAAN, T., DING, J., DIVAN, R., DOBBS, M. A., DUTCHER, D., EVERETT, W., FOSTER, A., GANNON, R. N., GILBERT, A., GROH, J. C., HALVERSON, N. W., HARKEHOSEMANN, A. H., HARRINGTON, N. L., HENNING, J. W., HILTON, G. C., HOLZAPFEL, W. L., HUANG, N., IRWIN, K. D., JEONG, O. B., JONAS, M., KHAIRE, T., KOFMAN, A. M., KORMAN, M., KUBIK, D., KUHLMANN, S., KUO, C. L., LEE, A. T., LOWITZ , A. E., MEYER, S. S., MICHALIK, D., MILLER, C. S., MONTGOMERY, J., NADOLSKI, A., NATOLI, T., NGUYEN, H., NOBLE, G. I., NOVOSAD, V., PADIN, S., PAN, Z., PEARSON, J., RAHLIN, A., RUHL, J. E., SAUNDERS, L. J., SAYRE, J. T., SHIRLEY, I., SHIROKOFF, E., SMECHER, G., SOBRIN, J. A., STAN, L., STARK, A. A., STORY, K. T., SUZUKI, A., TANG, Q. Y., THOMPSON, K. L., TUCKER, C., VALE, L. R., VANDERLINDE, K., VIEIRA, J. D., WANG, G., WHITEHORN, N., YEFREMENKO, V., YOON, K. W. and YOUNG, M. R., 2018. Fabrication of Detector Arrays for the SPT-3G Receiver. J. Low Temp. Phys. vol. 193, is. 5-6, pp. 703–711. DOI: https://doi.org/10.1007/s10909-018-1924-13. DELERUE, J., GAUGUE, A., TESTE, P., CARISTAN, E., KLISNICK, G., REGON, M. and KREISLER, A., 2003. YBCO mid-infrared bolometer arrays. IEEE Trans. Appl. Supercond. vol. 13, is. 2, pp. 176–179. DOI: https://doi.org/10.1109/TASC.2003.8136744. BEHNER, H., RÜHRNSCHOPF, K., WEDLER, G. and RAUCH, W., 1993. Surface reactions and long time stability of YBCO thin films. Physica C. vol. 208, is. 3-4, pp. 419–424. DOI: DOI : https://doi.org/10.1016/0921-4534(93)90216-D5. COPETTI, C. A., SCHUBERT, J., ZANDER, W., SOLTNER, H., POPPE, U. and BUCHAL, CH., 1993. Aging of superconducting YBa2Cu3O7-x structures on silicon. J. Appl. Phys. vol. 73, is. 3, pp. 1339–1342. DOI: https://doi.org/10.1063/1.3532526. KHREBTOV, I. A., 2002. Noise properties of high temperature superconducting bolometers. Fluct. Noise Lett. vol. 2, no. 2, pp. R51–R70. DOI: https://doi.org/10.1142/S02194775020006717. VERGHESE, S., RICHARDS, P. L., CHAR, K., FORK, D. K. and GEBALLE, T. H., 1992. Feasibility of infrared imaging ging arrays arrays using using high high T T c c superconducting bolometers. J. Appl. Phys. vol. 71, is. 6, pp. 2491–2498. DOI: https://doi.org/10.1063/1.3510638. KREISLER, A. J. and GAUGUE, A., 2000. Recent progress in high-temperature superconductor bolometric detectors: from the mid-infrared to the far-infrared (THz) range. Supercond. Sci. Technol. vol. 13, is. 8, pp. 1235–1245. DOI: https://doi.org/10.1088/0953-2048/13/8/3219. GORDIYENKO, E. YU., SLIPCHENKO, N. I. and GARBUZ, A. S., 2002. High temperature superconducting microthermometers for multi-elements IR radiation detectors. Radioelectronika i informatika. no. 3, pp. 38–41. (in Russian). Available from: https://cyberleninka.ru/article/n/vysokotemperaturnye-sverhprovodnikovye-mikrotermo-metry-dlya-mnogoelementnyh-priemnikov-ik-izlucheniya10. ZHURAVEL, A. P., SIVAKOV, A. G., TURUTANOV, O. G., OMELYANCHOUK, A. N., ANLAGE, S. M., LUKASHENKO, A., USTINOV, A. V. and ABRAIMOV, D., 2006. Laser scanning microscopy of HTS films and devices (Review Article). Low Temp. Phys., vol. 32, no. 6, pp. 592–607. DOI: https://doi.org/10.1063/1.221537611. FARDMANESH, M., ROTHWARF, A. and SCOLES, K. J., 1995. YBa2Cu3O7-x infrared bolometers: Temperature dependent responsivity and deviations from the dR/dT curve. J. Appl. Phys. vol. 77, is. 9, pp. 4568–4575. DOI: https://doi.org/10.1063/1.35942012. ZHURAVEL, A. P., USTINOV, A. V., ABRAIMOV, D. and ANLAGE, S. M., 2003. Imaging local sources of inter-modulation in superconducting microwave devices. IEEE Trans. Appl. Supercond. vol. 13, is. 2, pp. 340–343. DOI: https://doi.org/10.1109/TASC.2003.81373113. YEFREMENKO, V., GORDIYENKO, E., PISHKO, V., PISHKO, O. and NOVOSAD, V., 2007. Method for detection and imaging over a broad spectral range. US Patent No. 7,274,019 B2.14. YEFREMENKO, V., GORDIYENKO, E., SHUSTAKOVA, G., BADER, S. D. and NOVOSAD, V., 2005. Superconducting microbolometer with controllable coordinate sensitivity: an alternative approach to FPA design. In: B. F. ANDRESEN and G. F. FULOP, eds. Proceedings of SPIE. Infrared Technology and Application XXXI. vol. 5783,pp. 967–973. DOI: https://doi.org/10.1117/12.60364715. GORDIYENKO, E., SHUSTAKOVA, G., FOMENKO, YU. V. and GLUSHCHUK, N. I., 2013. Thermal Imaging System Based on a High Temperature Superconductor. Instrum. Exp. Tech. vol. 56, is. 4. pp. 485–490. DOI: https://doi.org/10.1134/S0020441213030196 PACS numbers: 85.25.Pb,44.10.+jПредмет и цель работы: Композитные сверхпроводниковые болометры различного уровня охлаждения широко используются в астрономии для детектирования излучения в длинноволновом инфракрасном (ИК), субмиллиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн. Наличие межэлементных тепловых помех – одна из основных проблем при разработке матриц композитных высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) болометров. В работе исследуется размытие температурного рельефа, образованного на поверхности пленочной ВТСП структуры падающим ИК излучением. Цель работы – измерение пространственных и временных параметров теплового размытия ИК изображения на поверхности пленки.Методы и методология: Исследования проведены методом сканирующего лазерного зонда. Использован предложенный ранее подход к регистрации пространственного распределения интенсивности внешнего излучения при помощи дополнительного локального теплового воздействия. Сфокусированный на поверхности лазерный луч перегревает участок пленки и переводит его из сверхпроводящего состояния в резистивное, чувствительное к внешнему излучению. Сканирование всей структуры лазерным зондом эквивалентно перемещению чувствительного участка и обеспечивает считывание температурного рельефа, созданного внешним излучением.Результаты: Вследствие тепловой диффузии температурный рельеф размывается вдоль поверхности ВТСП структуры, поглощающей излучение. Так, для структуры на основе пленки YBa2Cu3O7-x толщиной 200 нм на подложке SrTiO3 толщиной 500 мкм установившийся размер теплового изображения почти в 2 раза превышаетначальные размеры сфокусированного на поверхности ИК изображения.Экспериментальные данные согласуются с результатами математического моделирования тепловых процессов при поглощении излучения в такой системе. Изучена зависимость длины тепловой диффузии и характерного времени достижения максимального разогрева поверхности пленки от толщины подложки и частоты опроса.Заключение: Тепловое размытие ИК изображения вдоль поверхности композитных ВТСП болометров накладывает ограничения на их пространственное разрешение, быстродействие и другие параметры. Уменьшение такого размытия может быть достигнуто за счет сокращения времени опроса и оптимизации теплового дизайна системы “пленка/подложка”. Так как именно длина тепловой диффузии определяет размеры чувствительных элементов и оптимальное расстояние между ними, полученные результаты могут быть использованы при проектировании матриц композитных ВТСП болометров.Ключевые слова: ВТСП болометр, ИК изображение, тепловая диффузия, лазерный зондСтатья поступила в редакцию 18.04.2019Radio phys. radio astron. 2019, 24(2): 136-143СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1. GOSSORG, J., 1988. Infrared thermography. Fundamentals, Technique, Application. Moscow, Russia: Mir Publ. (in Russian).2. POSADA, C. M., ADE, P. A. R., AHMED, Z., ANDERSON, A. J., AUSTERMANN, J. E., AVVA, J. S., BASU THAKUR, R., BENDER, A. N., BENSON, B. A., CARLSTROM, J. E., CARTER, F. W., CECIL, T., CHANG, C. L., CLICHE, J. F., CUKIERMAN, A., DENISON, E. V., DE HAAN, T., DING, J., DIVAN, R., DOBBS, M. A., DUTCHER, D., EVERETT, W., FOSTER, A., GANNON, R. N., GILBERT, A., GROH, J. C., HALVERSON, N. W., HARKEHOSEMANN, A. H., HARRINGTON, N. L., HENNING, J. W., HILTON, G. C., HOLZAPFEL, W. L., HUANG, N., IRWIN, K. D., JEONG, O. B., JONAS, M., KHAIRE, T., KOFMAN, A. M., KORMAN, M., KUBIK, D., KUHLMANN, S., KUO, C. L., LEE, A. T., LOWITZ , A. E., MEYER, S. S., MICHALIK, D., MILLER, C. S., MONTGOMERY, J., NADOLSKI, A., NATOLI, T., NGUYEN, H., NOBLE, G. I., NOVOSAD, V., PADIN, S., PAN, Z., PEARSON, J., RAHLIN, A., RUHL, J. E., SAUNDERS, L. J., SAYRE, J. T., SHIRLEY, I., SHIROKOFF, E., SMECHER, G., SOBRIN, J. A., STAN, L., STARK, A. A., STORY, K. T., SUZUKI, A., TANG, Q. Y., THOMPSON, K. L., TUCKER, C., VALE, L. R., VANDERLINDE, K., VIEIRA, J. D., WANG, G., WHITEHORN, N., YEFREMENKO, V., YOON, K. W. and YOUNG, M. R., 2018. Fabrication of Detector Arrays for the SPT-3G Receiver. J. Low Temp. Phys. vol. 193, is. 5-6, pp. 703–711. DOI: 10.1007/s10909-018-1924-13. DELERUE, J., GAUGUE, A., TESTE, P., CARISTAN, E., KLISNICK, G., REGON, M. and KREISLER, A., 2003. YBCO mid-infrared bolometer arrays. IEEE Trans. Appl. Supercond. vol. 13, is. 2, pp. 176–179. DOI: 10.1109/TASC.2003.8136744. BEHNER, H., RÜHRNSCHOPF, K., WEDLER, G. and RAUCH, W., 1993. Surface reactions and long time stability of YBCO thin films. Physica C. vol. 208, is. 3-4, pp. 419–424. DOI: DOI : 10.1016/0921-4534(93)90216-D5. COPETTI, C. A., SCHUBERT, J., ZANDER, W., SOLTNER, H., POPPE, U. and BUCHAL, CH., 1993. Aging of superconducting YBa2Cu3O7-x structures on silicon. J. Appl. Phys. vol. 73, is. 3, pp. 1339–1342. DOI: 10.1063/1.3532526. KHREBTOV, I. A., 2002. Noise properties of high temperature superconducting bolometers. Fluct. Noise Lett. vol. 2, no. 2, pp. R51–R70. DOI: 10.1142/S02194775020006717. VERGHESE, S., RICHARDS, P. L., CHAR, K., FORK, D. K. and GEBALLE, T. H., 1992. Feasibility of infrared imaging ging arrays arrays using using high high T T c c superconducting bolometers. J. Appl. Phys. vol. 71, is. 6, pp. 2491–2498. DOI: 10.1063/1.3510638. KREISLER, A. J. and GAUGUE, A., 2000. Recent progress in high-temperature superconductor bolometric detectors: from the mid-infrared to the far-infrared (THz) range. Supercond. Sci. Technol. vol. 13, is. 8, pp. 1235–1245. DOI: 10.1088/0953-2048/13/8/3219. GORDIYENKO, E. YU., SLIPCHENKO, N. I. and GARBUZ, A. S., 2002. High temperature superconducting microthermometers for multi-elements IR radiation detectors.Radioelectronika i informatika. no. 3, pp. 38–41. (in Russian). Available from: https://cyberleninka.ru/article/n/vysokotemperaturnye-sverhprovodnikovye-mikrotermo-metry-dlya-mnogoelementnyh-priemnikov-ik-izlucheniya10. ZHURAVEL, A. P., SIVAKOV, A. G., TURUTANOV, O. G., OMELYANCHOUK, A. N., ANLAGE, S. M., LUKASHENKO, A., USTINOV, A. V. and ABRAIMOV, D., 2006. Laser scanning microscopy of HTS films and devices (Review Article). Low Temp. Phys., vol. 32, no. 6, pp. 592–607. DOI: 10.1063/1.221537611. FARDMANESH, M., ROTHWARF, A. and SCOLES, K. J., 1995. YBa Cu O infrared bolometers: Temperature de2 3 7"дpendent responsivity and deviations from the dR/dT curve. J. Appl. Phys. vol. 77, is. 9, pp. 4568–4575. DOI: 10.1063/1.35942012. ZHURAVEL, A. P., USTINOV, A. V., ABRAIMOV, D. and ANLAGE, S. M., 2003. Imaging local sources of inter-modulation in superconducting microwave devices. IEEETrans. Appl. Supercond. vol. 13, is. 2, pp. 340–343. DOI: 10.1109/TASC.2003.81373113. YEFREMENKO, V., GORDIYENKO, E., PISHKO, V., PISHKO, O. and NOVOSAD, V., 2007. Method for detection and imaging over a broad spectral range. US Patent No. 7,274,019 B2.14. YEFREMENKO, V., GORDIYENKO, E., SHUSTAKOVA, G., BADER, S. D. and NOVOSAD, V., 2005. Superconducting microbolometer with controllable coordinate sensitivity: an alternative approach to FPA design. In: B. F. ANDRESEN and G. F. FULOP, eds. Proceedings of SPIE. Infrared Technology and Application XXXI. vol. 5783,pp. 967–973. DOI: 10.1117/12.60364715. GORDIYENKO, E., SHUSTAKOVA, G., FOMENKO, YU. V. and GLUSHCHUK, N. I., 2013. Thermal Imaging System Based on a High Temperature Superconductor. Instrum. Exp. Tech. vol. 56, is. 4. pp. 485–490. DOI: 10.1134/S0020441213030196 PACS numbers: 85.25.Pb,44.10.+jПредмет і мета роботи: Композитні надпровідникові болометри різного рівня охолоджування широко використовуються в астрономії для детектування випромінювання в довгохвильовому інфрачервоному (ІЧ), субміліметровому і міліметровому діапазонах довжин хвиль. Наявність міжелементних теплових перешкод – одна з основних проблем при розробці матриць композитних високотемпературних надпроводникових (ВТНП) болометрів. У роботі досліджується розмиття температурного рельєфу, утвореного на поверхні тонкоплівкової ВТНП структури падаючим ІЧ випромінюванням. Мета роботи – вимірювання просторових і часових параметрів теплового розмиття ІЧ зображення на поверхні плівки.Методи і методологія: Дослідження виконано методом скануючого лазерного зонда. Використано запропонований раніше підхід до реєстрації просторового розподілу інтенсивності зовнішнього випромінювання за допомогою додаткової локальної теплової дії. Сфокусований на поверхні лазерний промінь перегріває ділянку плівки і переводить її з надпровідного стану в резистивний, чутливий до зовнішнього випромінювання. Сканування всієї структури лазерним зондом є еквівалентним переміщенню чутливої ділянки і забезпечує зчитування температурного рельєфу, створеного зовнішнім випромінюванням.Результати: Внаслідок теплової дифузії температурний рельєф розмивається уздовж поверхні ВТНП структури, що поглинає випромінювання. Так, для структури на основі плівки YBa2Cu3O7-x товщиною 200 нм на підкладці SrTiO3 товщиною 500 мкм сталий розмір теплового зображення майже вдвічі перевищує початкові розміри сфокусованого на поверхні ІЧ зображення. Експериментальні дані узгоджуються з результатами математичного моделювання теплових процесів при поглинанні випромінювання в такій системі. Вивчено залежність довжини теплової дифузії і характерного часу досягнення максимального розігрівання поверхні плівки від товщини підкладки і частоти опиту.Висновок: Теплове розмиття ІЧ зображення уздовж поверхні композитних ВТНП болометрів накладає обмеження на їх просторове розрізнення, швидкодію та інші параметри. Зменшення такого розмиття може бути досягнуте за рахунок скорочення часу опиту і оптимізації теплового дизайну системи “плівка/підкладка”. Оскільки саме довжина теплової дифузії визначає розміри чутливих елементів і оптимальну відстань між ними, отримані результати можуть бути використані у проектуванні матриць композитних ВТНП болометрів.Ключові слова: ВТНП болометр, ІЧ зображення, теплова дифузія, лазерний зондСтаття надійшла до редакції 18.04.2019Radio phys. radio astron. 2019, 24(2): 136-143СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ1. GOSSORG, J., 1988. Infrared thermography. Fundamentals, Technique, Application. Moscow, Russia: Mir Publ. (in Russian).2. POSADA, C. M., ADE, P. A. R., AHMED, Z., ANDERSON, A. J., AUSTERMANN, J. E., AVVA, J. S., BASU THAKUR, R., BENDER, A. N., BENSON, B. A., CARLSTROM, J. E., CARTER, F. W., CECIL, T., CHANG, C. L., CLICHE, J. F., CUKIERMAN, A., DENISON, E. V., DE HAAN, T., DING, J., DIVAN, R., DOBBS, M. A., DUTCHER, D., EVERETT, W., FOSTER, A., GANNON, R. N., GILBERT, A., GROH, J. C., HALVERSON, N. W., HARKEHOSEMANN, A. H., HARRINGTON, N. L., HENNING, J. W., HILTON, G. C., HOLZAPFEL, W. L., HUANG, N., IRWIN, K. D., JEONG, O. B., JONAS, M., KHAIRE, T., KOFMAN, A. M., KORMAN, M., KUBIK, D., KUHLMANN, S., KUO, C. L., LEE, A. T., LOWITZ , A. E., MEYER, S. S., MICHALIK, D., MILLER, C. S., MONTGOMERY, J., NADOLSKI, A., NATOLI, T., NGUYEN, H., NOBLE, G. I., NOVOSAD, V., PADIN, S., PAN, Z., PEARSON, J., RAHLIN, A., RUHL, J. E., SAUNDERS, L. J., SAYRE, J. T., SHIRLEY, I., SHIROKOFF, E., SMECHER, G., SOBRIN, J. A., STAN, L., STARK, A. A., STORY, K. T., SUZUKI, A., TANG, Q. Y., THOMPSON, K. L., TUCKER, C., VALE, L. R., VANDERLINDE, K., VIEIRA, J. D., WANG, G., WHITEHORN, N., YEFREMENKO, V., YOON, K. W. and YOUNG, M. R., 2018. Fabrication of Detector Arrays for the SPT-3G Receiver. J. Low Temp. Phys. vol. 193, is. 5-6, pp. 703–711. DOI: 10.1007/s10909-018-1924-13. DELERUE, J., GAUGUE, A., TESTE, P., CARISTAN, E., KLISNICK, G., REGON, M. and KREISLER, A., 2003. YBCO mid-infrared bolometer arrays. IEEE Trans. Appl. Supercond. vol. 13, is. 2, pp. 176–179. DOI: 10.1109/TASC.2003.8136744. BEHNER, H., RÜHRNSCHOPF, K., WEDLER, G. and RAUCH, W., 1993. Surface reactions and long time stability of YBCO thin films. Physica C. vol. 208, is. 3-4, pp. 419–424. DOI: DOI : 10.1016/0921-4534(93)90216-D5. COPETTI, C. A., SCHUBERT, J., ZANDER, W., SOLTNER, H., POPPE, U. and BUCHAL, CH., 1993. Aging of superconducting YBa2Cu3O7-x structures on silicon. J. Appl. Phys. vol. 73, is. 3, pp. 1339–1342. DOI: 10.1063/1.3532526. KHREBTOV, I. A., 2002. Noise properties of high temperature superconducting bolometers. Fluct. Noise Lett. vol. 2, no. 2, pp. R51–R70. DOI: 10.1142/S02194775020006717. VERGHESE, S., RICHARDS, P. L., CHAR, K., FORK, D. K. and GEBALLE, T. H., 1992. Feasibility of infrared imaging ging arrays arrays using using high high T T c c superconducting bolometers. J. Appl. Phys. vol. 71, is. 6, pp. 2491–2498. DOI: 10.1063/1.3510638. KREISLER, A. J. and GAUGUE, A., 2000. Recent progress in high-temperature superconductor bolometric detectors: from the mid-infrared to the far-infrared (THz) range. Supercond. Sci. Technol. vol. 13, is. 8, pp. 1235–1245. DOI: 10.1088/0953-2048/13/8/3219. GORDIYENKO, E. YU., SLIPCHENKO, N. I. and GARBUZ, A. S., 2002. High temperature superconducting microthermometers for multi-elements IR radiation detectors.Radioelectronika i informatika. no. 3, pp. 38–41. (in Russian). Available from: https://cyberleninka.ru/article/n/vysokotemperaturnye-sverhprovodnikovye-mikrotermo-metry-dlya-mnogoelementnyh-priemnikov-ik-izlucheniya10. ZHURAVEL, A. P., SIVAKOV, A. G., TURUTANOV, O. G., OMELYANCHOUK, A. N., ANLAGE, S. M., LUKASHENKO, A., USTINOV, A. V. and ABRAIMOV, D., 2006. Laser scanning microscopy of HTS films and devices (Review Article). Low Temp. Phys., vol. 32, no. 6, pp. 592–607. DOI: 10.1063/1.221537611. FARDMANESH, M., ROTHWARF, A. and SCOLES, K. J., 1995. YBa Cu O infrared bolometers: Temperature de2 3 7"дpendent responsivity and deviations from the dR/dT curve. J. Appl. Phys. vol. 77, is. 9, pp. 4568–4575. DOI: 10.1063/1.35942012. ZHURAVEL, A. P., USTINOV, A. V., ABRAIMOV, D. and ANLAGE, S. M., 2003. Imaging local sources of inter-modulation in superconducting microwave devices. IEEETrans. Appl. Supercond. vol. 13, is. 2, pp. 340–343. DOI: 10.1109/TASC.2003.81373113. YEFREMENKO, V., GORDIYENKO, E., PISHKO, V., PISHKO, O. and NOVOSAD, V., 2007. Method for detection and imaging over a broad spectral range. US Patent No. 7,274,019 B2.14. YEFREMENKO, V., GORDIYENKO, E., SHUSTAKOVA, G., BADER, S. D. and NOVOSAD, V., 2005. Superconducting microbolometer with controllable coordinate sensitivity: an alternative approach to FPA design. In: B. F. ANDRESEN and G. F. FULOP, eds. Proceedings of SPIE. Infrared Technology and Application XXXI. vol. 5783,pp. 967–973. DOI: 10.1117/12.60364715. GORDIYENKO, E., SHUSTAKOVA, G., FOMENKO, YU. V. and GLUSHCHUK, N. I., 2013. Thermal Imaging System Based on a High Temperature Superconductor. Instrum. Exp. Tech. vol. 56, is. 4. pp. 485–490. DOI: 10.1134/S0020441213030196 Видавничий дім «Академперіодика» 2019-06-11 Article Article application/pdf http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1312 10.15407/rpra24.02.136 РАДИОФИЗИКА И РАДИОАСТРОНОМИЯ; Vol 24, No 2 (2019); 136 RADIO PHYSICS AND RADIO ASTRONOMY; Vol 24, No 2 (2019); 136 РАДІОФІЗИКА І РАДІОАСТРОНОМІЯ; Vol 24, No 2 (2019); 136 2415-7007 1027-9636 10.15407/rpra24.02 rus http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1312/969 Copyright (c) 2019 RADIO PHYSICS AND RADIO ASTRONOMY |