Terahertz (THz) Algılama Uygulamaları için Oda Sıcaklığında Çalışan Deşarj Lambalarının Karekterizasyonu

Download
2016
Özkan, Ali Vedat
Kopeika, Natan
Küçükkeskin, Efe
Altan, Hakan
Menteşe, Yıldız
Çınar, Kamil
Alasgarzade, Namıg
Karagöz, Burcu
İlk olarak 1970’lerde araştırılmaya başlayan bir konu olan deşarj lambaları kullanarak THz/milimetre dalga boyu algılama yöntemi günümüzde THz tekniklerine olan ilgi ile tekrar gündeme gelmiştir ve yakın zamanda kendi yaptığımız çalışmalar ile uluslararası alanda yoğun ilgi görmektedir. Yüksek basınçta bir gaz içinde oluşan deşarj sonucu ışıma yapan bu lambalar, oluşan plazma sayesinde ışıma yaparken THz dalga boylarına hassasiyet göstermektedir. Bu çalışmalar ilk olarak Prof. Dr. Natan Kopeika (Ben Gurion Üniversitesi, Nagev, Israil) tarafından gerçekleştirilmiştir. Kendi grubumuzda yaptığımız çalışmalar da bunu desteklemektedir, dahası kurduğumuz zamana dayalı THz ölçüm sistemleri ile yapısı ile ilintili özel THz frekanslarında bu yapıların rezonant etki gösterdiğini tespit eden ilk araştırma grubuyuz. MM dalga boyu/THz algılama için kullanılan bu tip lambaların ucuz olmaları, gerek oda sıcaklığında çalışırken THz dalga boylarını yüksek hassasiyetle tespit edebilmeleri, gerekse de plazmadan geçerken bazı THz frekansların kontrol edilerek filtreleyebilmesi bu tip yapıların farklı sivil ve savunma uygulamalarında kullanabileceklerini göstermektedir. Proje kapsamında yaptığımız çalışmalarda, deşarj lambalarında görülen bu rezonant etkilerin THz algılamadaki rolünü belirleyebilmek için ticari olarak satılan farklı lambaları hem zamana dayalı THz ölçüm sistemlerimiz ile hem de proje kapsamında geliştirdiğimiz sürekli ışıma yapan yüksek frekans THz ölçüm sistemleri ile karekterize ettik. İki türlü ışık kaynağı geliştirildi: 80-125GHz arası ışıma yapan, bu frekans tayfında 1GHz’lik dilimlerde 20mW ortalama güç üreten mm-dalga boyu ışın kaynağı ve 260-380GHz arası ışıma yapan, bu frekans tayfında 1GHz’lik dilimlerde 1mW ortalam güç üreten THz ışın kaynağı. Bu ışın kaynakların temelinde Schottky-diyot temeline dayalı çarpan yapıları süren frekans ayarlanbilir bir YIG osilatör mikrodalga kaynağı kullanılmıştır. MM dalga boyu kaynağı için 9-14GHz arası frekansı ayarlanabilen YIG osilatör kaynağını x9 toplam çarpan Schottky diyot temmelli RF bileşenler kullanıldı. THz frekanslarına ulaşmak için aynı kaynağa x3 çarpan bir Schottky temeline dayalı pasif çarpan bir diyot yapısı kullanıldı. İki sistem için frekansları hava boşluğuna taşımak için ayrı horn antenler kullanıldı. MM dalga boyu ışın kaynağı için konik bir horn anten yapısı kullanılırken, THz ışın kaynağı için piarmit horn anten yapısı kullanıldı. Dağılan ışın kaynağın Gaussiyen ışın dağılımı görünüşünü plano-konveks mercekler kullanarak topladık ve deşarj lamba yapısına odakladık. Deneylerin bir sürümünde deşarj lamba yapısını detektör olarak kullandık, diğer bir sürümünde ise içinden geçen frekansların şiddetlerini bir Golay Cell detetktör yardımıyla ölçtük. 2 THz üretici ve deşarj lamba kullanan alıcı sistemleri geliştirdik, sonra zamana dayalı THz ölçüm sistemlerin deşarj lambalarını daha iyi karekterize edebilmeleri için optimize ettik ve THz dalga boylarının deşarj ortamındaki plazma ile etkileşimini anlamak için benzetim çalışmaları geliştirdik. Bu çalışmalar sonucu rezonant etkilerin THz algılamadaki rolünü belirleyerek bu tip yapıların THz uygulamalarında nasıl ve nerede kullanabileceklerini daha iyi anladık. Deşarj lambaları ışın algılama için kullanıldığında literatürde “Glow Discharge Detector (GDD)” olarak adlandırılmaktadır. GDD lambaları ile bu ölçümlerde şu sonuçları elde ettik:  GDD lambaları detektör olarak hem mm dalga boyları hem de THz frekansları için ışının kutuplaşma yönüne hassas (anot-katot arası elektrik alan yönü ışın elektrik alanına paralel ya da anti pararlel olduğu durumlarda algıladığı sinyal maksimum, dikay olduğu durumlarda algıladığın sinyal minimum)  GDD lambaları hem optik eksene paralel hem de optik eksene dik konumda mm dalga boyu/THz ışınlarını algılayabiliyor  GDD lamba detektör hassasiyeti iki frekans aralığı için neredeyse Golay Cell cihazına eşit (nW/Hz-1/2)  GDD lambaları detektör olarak kullanıldığında ışın kaynağına genlik modülasyon uygulamak gerekiyor (“Amplitude Modulation (AM)”); 90kHz modülasyon frekansı için algıladığı sinyal en büyük olarak ölçüldü. Ekipmanların limitasyonları nedeniyle daha yüksek modülasyon frekansları araştırılamadı, bu frekansın MHz civarı olduğunu tahmin ediyoruz  Optimize edilen zamana dayalı THz ölçüm sistemleri ve kurulan sürekli THz ışın kaynağı sistemleri ile yaptığımız ölçümlerde anot-katot arası mesafenin belli frekansların yapıdan geçişini etkilediğini gözlemledik.  Genel olarak ticari olarak satın alınabilen deşarj lambaların anot-katot arası mesafesinin yaklaşık olarak 1mm olması ile etkileştiği rezonant frekans tayfın 250- 350GHz arası frekanslara denk düşmesi şu sonucu destekliyor: ışın ile plazmanın etkileşiminı arttırmak için anot-katot arası mesafesi dalga boyu ile orantılı olmalı.  CST Microwave Studio programını kullanarak yaptığımız ilk benzetim çalışmalarında anot-katot arası mesafeye bağlı olarak plazmanın dielektrik fonsiyonu deşarj sırasında belli frekans aralıkları için minimum geçiş gösterdi. Bu çalışmaların üzerinde yoğunlaşarak anot-katot geometrisini optimize etmeyi hedefliyoruz. Yukarıda alınan sonuçların bir kısmı uluslararası konferansta tam makale bildiri olarak yayınlandı, diğer bir kısmı ise uluslararası (SCI-E) hakemli bir dergide yayınlandı. Projede 3 yapılan çalışmalar bir yüksek lisans öğrencisinin tez çalışmalarını destekledi diğer lisans, doktora düzeydeki öğrencilerin de araştırmalarını destekledi. Dünyada son zamanlarda yoğun ilgi ile araştırılan bariyer arkası görüntüleme sektörü için ucuz, oda sıcaklığında yüksek hassasiyetle çalışan THz detektör teknolojilerin geliştirilmesi eşi benzeri olmayan bir katkı sağlayacağına inanmaktayız. Ülkemizde terör olayları ve benzeri negatif unsurlar karşısında savunma ağırlıklı tespit ve imha teknolojileri kapsamında bu tip detektörlerin önemli bir katkı sağlayacağı ortak görüşündeyiz.
Citation Formats
A. V. Özkan et al., “Terahertz (THz) Algılama Uygulamaları için Oda Sıcaklığında Çalışan Deşarj Lambalarının Karekterizasyonu,” 2016. Accessed: 00, 2020. [Online]. Available: https://app.trdizin.gov.tr/publication/project/detail/TVRZMU5UTXo.