|
|
Большая Советская Энциклопедия (цитаты)
|
|
|
|
|
Криоэлектроника | Криоэлектроника (далее К) криогенная электроника, направление, охватывающее исследование взаимодействия электромагнитного поля с электронами в твердых телах при криогенных температурах (ниже 90К) и создание электронных приборов на их основе. В криоэлектронных приборах используются различные явления: сверхпроводимость металлов и сплавов, зависимость диэлектрической проницаемости некоторых диэлектриков от электрического поля, появление у металлов при Т < 80К полупроводниковых свойств при аномально высокой подвижности электронов проводимости и др.
К криоэлектронным приборам следует отнести: запоминающие и логические криоэлектронные устройства вычислительной техники; генераторы, усилители, переключатели, резонаторы, преобразователи частоты, фильтры, линии задержки, модуляторы и др. приборы СВЧ; сверхпроводящие магнитометры, гальванометры, болометры и др. Одной из задач К является создание электронных охладителей, а также миниатюрных приборов, сочетающих в одной конструкции электронную схему, криостат, служащий герметической оболочкой, и охлаждающее устройство.
Криотроны. Развитие К началось с создания криотрона (1955) - миниатюрного переключательного элемента, действие которого основано на явлении сверхпроводимости. Криотроны - элементы логических, запоминающих и переключательных устройств. Они отличаются низким потреблением энергии (10-18дж), малыми габаритами (до 10-6мм2), быстродействием (время переключения ~ 10-11сек). Первые проволочные криотроны были вскоре заменены пленочными (1958-1960). В 1955-56 появились др. пленочные запоминающие элементы: персистор, персистотрон, ячейка Кроу, однако они не получили распространения. Основным криоэлектронным элементом в вычислительной технике остался пленочный криотрон. В 1967 был разработан пленочный туннельный криотрон (криосар), основан на Джозефсона эффекте.
Криоэлектронные усилители. Проблема приема слабых сигналов СВЧ стимулировала появление низкотемпературных твердотельных усилителей, основанных на разных физических явлениях и обладающих ничтожно малыми шумами. К ним следует отнести прежде всего парамагнитный квантовый усилитель и параметрический усилитель, работающий при температуре 90. В последнем роль активного элемента (параметрического полупроводникового диода) играет либо р-n-переход в полупроводнике с высокой подвижностью носителей при Т < 90К, либо переход металл - полуметалл (, рис. 1). Последний приобретает при Т < 90К свойства полупроводника, имеющего подвижность носителей в 102-103 раз выше, чем у и . Мощность, потребляемая таким усилителем, ~ 10-1- 10-2 вт.
Сверхпроводниковый усилитель также основан на принципе параметрического усиления, но в этом случае периодически изменяется не емкость С колебательной системы, а ее индуктивность L (рис. 2). Индуктивным элементом такого усилителя служит тонкая пленка сверхпроводника при температуре несколько ниже Tkp. В сверхпроводящей пленке возникает т. н. "сверхиндуктивность" Lк обусловленная кинетической энергией движущихся сверхпроводящих электронных пар. Индуктивность Lk при определенном выборе геометрии пленки может преобладать над обычной индуктивностью L проводника. Внешним электромагнитным полем можно периодически разрушать и восстанавливать сверхпроводящие электронные пары, изменяя их число ns, и этим самым можно периодически изменять индуктивность Lk по закону: Lk = 1/ns.
Параэлектрические усилители основаны на аномально высокой поляризации некоторых диэлектриков (например, 3) при низких температурах. Диэлектрическая проницаемость таких диэлектриков (параэлектриков) от 10 до 15·103, при Т < 80К появляется сильная зависимость диэлектрических потерь от внешнего электрического поля (рис. 3). Активный элемент параэлектрического усилителя представляет собой электрический конденсатор, заполненный таким параэлектриком, помещенным в электромагнитное поле (накачка). Емкость такого конденсатора периодически изменяется с частотой накачки, что позволяет осуществить параметрическое усиление (рис. 4).
Существуют усилители, в которых используются комбинации перечисленных методов. Например, сочетание изменяющихся индуктивности L сверхпроводника и емкости С "запертого" перехода металл - полуметалл позволяет создать усилитель, где одновременно от одного генератора модулируется С и L, что улучшает характеристики усилителей (рис. 5).
Количественным критерием чувствительности криоэлектронных усилителей является их шумовая температура Тш. У криоэлектронных усилителей она достигает единиц и долей градуса К (рис. 6). Наряду с этим криоэлектронные усилители обладают широкой полосой пропускания и высоким усилением (обычно от 10 до 104).
Криоэлектронные резонаторы. Повышение стабильности частоты генераторов СВЧ ограничено величиной добротности Q объемных резонаторов, которая зависит от активных потерь энергии в их проводящих стенках. Теоретически предел Q обычных резонаторов 2-8·103 для основного типа волн в сантиметровом диапазоне. Добротность может быть увеличена в 10-100 раз охлаждением до 15-20 за счет уменьшения рассеяния электронов на тепловых колебаниях кристаллической решетки металла.
Резонаторы со сверхпроводящими стенками теоретически должны обладать бесконечно большой добротностью из-за отсутствия потерь в поверхностном слое сверхпроводника. В действительности же потери существуют вследствие инерционности электронов. С другой стороны, на очень высоких частотах (~ 1011гц), когда энергия кванта электромагнитного поля сравнима с энергией расщепления сверхпроводящих электронных пар (3,52 k T), потери в сверхпроводящем и нормальном состояниях становятся одинаковыми. Поэтому наибольшая добротность (Q ~ 1011) достигается в дециметровом диапазоне длин волн. Для l = 3 см добротность сверхпроводящих резонаторов ~ 107-1010. С помощью сверхпроводящих резонаторов стабильность частоты обычных клистронов может быть улучшена с 5×10-4 до 10-9-10-10, т. е. до уровня стабильности квантовых стандартов частоты при сохранении всех преимуществ клистронов. Сверхпроводящие резонаторы обычно работают при температурах (4,2 К). Если в них используются сверхпроводники 1-го рода, то их рабочая температура поднимается до 10-15 К
Фильтры и линии задержки. Сверхпроводящий фильтр представляет собой цепочку последовательных соединений сверхпроводящих резонаторов. Избирательность в полосе запирания у такого фильтра повышена в 103-106 раз по сравнению с обычными фильтрами.
Сверхпроводящая линия задержки в простейшем виде представляет собой тонкий кабель из сверхпроводника, свернутый в спираль и помещенный в криостат. Его длина соответствует времени задержки сигнала (t ~ мсек или долей мсек). Применяется в радиолокации и измерительной технике. Для t ~ нсек или псек используются сверхпроводящие меандры - извилистые линии из узких тонких сверхпроводящих пленок на диэлектрической подложке. Изменяя внешним полем распределенную индуктивность такой линии, можно управлять временем задержки t. Применяются также параэлектрические фильтры и линии задержки.
Охлаждение в К достигается различными методами. Криостат, который обычно служит оболочкой прибора, часто соединяют с криогенной установкой. Для охлаждения используются
также Джоуля - Томсона эффект, Пельтье эффект, Эттингсгаузена эффект, магнитное охлаждение и др. В приборах для космических исследований охлаждение и поддержание низких температур достигается за счет использования отвердевших газов (1 кг твердого может находиться в космосе до 1 года).
Иногда несколько приборов помещают в общий криостат, который может выполнять также определенные функции, например служить антенной. Т. о. осуществляют интеграцию. Развитие К особенно интегральной, приводит к увеличению надежности приборов, уменьшению их габаритов, веса и расширяет области их применения (рис. 7).
Лит.: Брэмер Д ж., Сверхпроводящие устройства, пер. с англ., М., 1964; Крайзмер Л. П., Устройства хранения дискретной информации, 2 изд., Л., 1969; Алфеев В. Н., Радиотехника низких температур, М., 1966; его же, Криогенная электроника, "Известия ВУЗОВ. Радиоэлектроника", 1970, т. 13, в. 10, с. 1163-1175; Электронная техника. Серия 15, Криогенная электроника, в. 1, М., 1969, с. 3; Малков М., Данилов И., Криогеника, М., 1970; Уильямс Дж., Сверхпроводимость и ее применение в технике, перевод с английского, М., 1973.
В. Н. Алфеев.
|
Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска
|
|
 |
 |
 |
|
|
|
Новости 21.11.2024 11:37:02
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
