Криоэлектроника

Криоэлектроника, криогенная электроника, направление, охватывающее исследование взаимодействия электромагнитного поля с электронами в твёрдых 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, детекторы, преобразователи частоты, фильтры, линии задержки, модуляторы и др. приборы СВЧ(сверхвысокие частоты); 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 плёночными (1958—1960). В 1955—56 появились др. плёночные запоминающие элементы: персистор, персистотрон, ячейка Кроу, однако они не получили распространения. Основным криоэлектронным элементом в вычислительной технике остался плёночный криотрон. В 1967 был разработан плёночный туннельный криотрон (криосар), основан на Джозефсона эффекте.

  Криоэлектронные усилители. Проблема приёма слабых сигналов СВЧ(сверхвысокие частоты) 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 90K. 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 (InSb, рис.(рисунок) 1). Последний приобретает при Т < 90К свойства полупроводника, имеющего подвижность носителей в 10²—10³ раз выше, чем у Ge и Si. Мощность, потребляемая таким усилителем, ~ 10^-1— 10^-2 вт.

  Сверхпроводниковый усилитель также основан на принципе параметрического усиления, но в этом случае периодически изменяется не ёмкость С колебательной системы, а её индуктивность L (рис. 2). Индуктивным элементом такого усилителя служит тонкая плёнка сверхпроводника при температуре несколько ниже T_kp. В сверхпроводящей плёнке возникает т. н. «сверхиндуктивность» L_к обусловленная кинетической энергией движущихся сверхпроводящих электронных пар. Индуктивность L_k при определённом выборе геометрии плёнки может преобладать над обычной индуктивностью L проводника. Внешним электромагнитным полем можно периодически разрушать и восстанавливать сверхпроводящие электронные пары, изменяя их число n_s, и этим самым можно периодически изменять индуктивность L_k по закону: L_k = 1/n_s.

  Параэлектрические усилители основаны на аномально высокой поляризации некоторых диэлектриков (например, CrTiO₃) 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). Ёмкость 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 ёмкости 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 Т_ш. 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(сверхвысокие частоты) ограничено величиной добротности Q объёмных 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—20K за счёт уменьшения рассеяния электронов на тепловых колебаниях кристаллической решётки 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 гелиевых 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, свёрнутый 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 плёнок на диэлектрической подложке. Изменяя внешним полем распределённую 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 счёт использования отвердевших газов (1 кг твёрдого азота может находиться в космосе до 1 года).

  Иногда несколько приборов помещают в общий криостат, который может выполнять также определённые функции, например служить антенной. Т. о. осуществляют интеграцию. Развитие К. особенно интегральной, приводит к увеличению надёжности приборов, уменьшению их габаритов, веса и расширяет области их применения (рис. 7).

  Лит.: Брэмер Д ж., Сверхпроводящие устройства, пер.(перевод) с англ.(английский), 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.

Рис. 2. а — схема сверхпроводящего усилителя; L — yправляемая индуктивность; R_п — сопротивление перехода Джезефсона; б — активный элемент усилителя.

Рис. 4. а — активный элемент параметрического усилителя; б — зависимость его ёмкости С от напряжения при Т = 4, 2 К, пунктир — эта же зависимость при комнатной температуре.

Рис. 1. а — эквивалентная схема низкотемпературного параметрического усилителя; б — вольтамперная характеристика перехода металл—полуметалл (U — напряжение, I — ток) и зависимость его ёмкости С от напряжения при Т < 80 К; пунктиром показана эта же характеристика при комнатной температуре (300 К): U_н и w_н — напряжение и частота накачки; в — переход металл—полуметалл является активным элементом усилителя.

Рис. 3. Зависимость диэлектрической проницаемости ε и угла диэлектрических потерь δ от температуры Т.

Рис. 5. Криоэлектронный усилитель с 4 управляемыми реактивными параметрами.

Рис. 6. Зависимость шумовой температуры Т_ш, различных усилителей СВЧ(сверхвысокие частоты) от частоты: 1 — сверхмалошумящие электровакуумные (специальные типы ЛБВ) и полупроводниковые (туннельные и транзисторные) усилители; 2 — неохлаждаемые параметрические усилители; 3, 4, 5 — криоэлектронные усилители азотного, водородного и гелиевого уровней охлаждения; 6 — парамагнитные квантовые усилители.

Рис. 7. Низкотемпературный параметрический усилитель для сверхдальнего приёма телевизионных сигналов через искусственные спутники Земли: 1 — криостат; 2 — колебательная система с активным элементом; 3 — генератор накачки; 4 — входной фильтр.