Кріоелектроніка
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Кріоелектроніка

Кріоелектроніка, криогенна електроніка, напрям, що охоплює дослідження взаємодії електромагнітного поля з електронами в твердих тілах при криогенних температурах (нижче 90К) і створення електронних приладів на їх основі. У кріоелектронних приладах використовуються різні явища: надпровідність металів і сплавів, залежність діелектричної проникності деяких діелектриків від електричного поля, поява в металів при Т < 80К напівпровідникових властивостей при аномально високій рухливості електронів провідності і ін.

загрузка...

  До кріоелектронних приладів слід віднести: кріоелектронні пристрої обчислювальної техніки, що запам'ятовують і логічні; генератори, підсилювачі, перемикачі, резонатори, детектори, перетворювачі частоти фільтри, лінії затримки, модулятори і ін. прилади СВЧ(надвисокі частоти); надпровідні магнітометри, гальванометри, болометри і ін. Одному із завдань До. є створення електронних охолоджувачів, а також мініатюрних приладів, що поєднують в одній конструкції електронну схему, кріостат, службовець герметичною оболонкою, і пристрій, що охолоджує.

  Кріотрони. Розвиток До. почалося із створення кріотрона (1955) — мініатюрного елементу перемикача, дія якого заснована на явищі надпровідності. Кріотрони — елементи логічні, такі, що запам'ятовують і перемикачі пристроїв. Вони відрізняються низьким вжитком енергії (10 -18 дж ) , малими габаритами (до 10 -6 мм 2 ) , швидкодією (час перемикання ~ 10 -11 сік ) . Перші дротяні кріотрони були незабаром замінені плівковими (1958—1960). У 1955—56 з'явилися ін. плівкові елементи, що запам'ятовують: персистор, персистотрон, вічко Кроу, проте вони не набули поширення. Основним кріоелектронним елементом в обчислювальній техніці залишився плівковий кріотрон. У 1967 був розроблений плівковий тунельний кріотрон (кріосар), заснований на Джозефсона ефекті .

  Кріоелектронні підсилювачі . Проблема прийому слабких сигналів СВЧ(надвисокі частоти) стимулювала появу низькотемпературних твердотілих підсилювачів, що заснованих на різних фізичних явищах і володіють нікчемно малими шумами. До них слід віднести перш за все парамагнітний квантовий підсилювач і параметричний підсилювач, що працює при температурі 90k. У останньому роль активного елементу ( параметричного напівпровідникового діода ) грає або р—n -переход в напівпровіднику з високою рухливістю носіїв при Т < 90К, або перехід метал — напівметал (Insb , мал.(малюнок) 1 ). Останній набуває при Т < 90К властивості напівпровідника, що має рухливість носіїв в 10 2 , — 10 3 раз вище, ніж в Ge і Si. Потужність споживана таким підсилювачем ~ 10 -1 — 10 - 2 Вт.

  Надпровідниковий підсилювач також заснований на принципі параметричного посилення, але в цьому випадку періодично змінюється не ємність З коливальної системи, а її індуктивність L ( мал. 2 ). Індуктивним елементом такого підсилювача служить тонка плівка надпровідника при температурі декілька нижче T kp . В надпровідній плівці виникає т.з. «надіндуктивність» L до обумовлена кінетичною енергією рухомих надпровідних електронних пар. Індуктивність L до при певному виборі геометрії плівки може переважати над звичайною індуктивністю L провідника. Зовнішнім електромагнітним полем можна періодично руйнувати і відновлювати надпровідні електронні пари, змінюючи їх число n s , і цим самим можна періодично змінювати індуктивність L до згідно із законом: L до = 1/ n s .

  Параелектричні підсилювачі засновані на аномально високій поляризації деяких діелектриків (наприклад, Crtio 3 ) при низьких температурах. Діелектрична проникність таких діелектриків (параелектриків) від 10 до 15·10 3 , при Т < 80К з'являється сильна залежність діелектричних втрат від зовнішнього електричного поля ( мал. 3 ). Активним елементом параелектричного підсилювача є електричний конденсатор, заповнений таким параелектриком, поміщеним в електромагнітне поле (накачування). Ємкість такого конденсатора періодично змінюється з частотою накачування, що дозволяє здійснити параметричне посилення ( мал. 4 ).

  Існують підсилювачі, в яких використовуються комбінації перерахованих методів. Наприклад, поєднання тих, що змінюються індуктивності L надпровідника і ємкості З «замкнутого» переходу метал — напівметал дозволяє створити підсилювач, де одночасно від одного генератора модулюється З і L, що покращує характеристики підсилювачів ( мал. 5 ).

  Кількісним критерієм чутливості кріоелектронних підсилювачів є їх шумова температура Т ш . В кріоелектронних підсилювачів вона досягає одиниць і доль градуса До ( мал. 6 ). Поряд з цим кріоелектронні підсилювачі володіють широкою смугою пропускання і високим посиленням (зазвичай від 10 до 10 4 ).

  Кріоелектронні резонатори. Підвищення стабільності частоти генераторів СВЧ(надвисокі частоти) обмежено величиною добротності Q об'ємних резонаторів, яка залежить від активних втрат енергії в їх провідних стінках. Теоретично межа Q звичайних резонаторів 2—8·10 3 для основного типа хвиль в сантиметровому діапазоні. Добротність може бути збільшена в 10—100 разів охолоджуванням до 15—20k за рахунок зменшення розсіяння електронів на теплових коливаннях кристалічної решітки металу.

  Резонатори з надпровідними стінками теоретично повинні володіти нескінченно великою добротністю через відсутність втрат в поверхневому шарі надпровідника. Насправді ж втрати існують унаслідок інерційності електронів. З іншої сторони, на дуже високих частотах (~ 10 11 гц ) , коли енергія кванта електромагнітного поля порівнянна з енергією розщеплювання надпровідних електронних пар (3,52 до T ) , втрати в надпровідному і нормальному станах стають однаковими. Тому найбільша добротність ( Q ~ 10 11 ) досягається в дециметровому діапазоні довжин хвиль. Для l = 3 см добротність надпровідних резонаторів ~ 10 7 —10 10 . За допомогою надпровідних резонаторів стабільність частоти звичайних клістронів може бути покращувана з 5×10 -4 до 10 -9 —10 -10 , тобто до рівня стабільності квантових стандартів частоти при збереженні всіх переваг клістронів. Надпровідні резонатори зазвичай працюють при гелієвих температурах (4,2 До). Якщо в них використовуються надпровідники 1-го роду, то їх робоча температура піднімається до 10—15 До.

  Фільтри і лінії затримки. Надпровідний фільтр є ланцюжком послідовних з'єднань надпровідних резонаторів. Вибірковість в смузі замикання в такого фільтру підвищена в 10 3 —10 6 раз в порівнянні із звичайними фільтрами.

  Надпровідна лінія затримки в простому вигляді є тонким кабелем з надпровідника, згорнутим в спіраль і поміщеним в кріостат. Його довжина відповідає часу затримки сигналу (t ~ мсек або долею мсек ) . Застосовується в радіолокації і вимірювальній техніці. Для t ~ нсек ілі псек використовуються надпровідні меандри — звивисті лінії з вузьких тонких надпровідних плівок на діелектричній підкладці. Змінюючи зовнішнім полем розподілену індуктивність такої лінії, можна управляти часом затримки t. Застосовуються також параелектричні фільтри і лінії затримки.

  Охолоджування в До. досягається різними методами. Кріостат, який зазвичай служить оболонкою приладу, часто сполучають з криогенною установкою. Для охолоджування використовуються

також Джоуля — Томсона ефект, Пельтье ефект, Еттінгсгаузена ефект, магнітне охолоджування і ін. У приладах для космічних досліджень охолоджування і підтримка низьких температур досягається за рахунок використання отверділих газів (1 кг твердого азоту може знаходитися в космосі до 1 року).

  Інколи декілька приладів поміщають в загальний кріостат, який може виконувати також певні функції, наприклад служити антеною . Т. о. здійснюють інтеграцію. Розвиток До. особливо інтегральною, приводить до збільшення надійності приладів, зменшення їх габаритів, ваги і розширює сфери їх застосування ( мал. 7 ).

  Літ.: Бремер Д же., Надпровідні пристрої, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1964; Крайзмер Л. П., Пристрої зберігання дискретної інформації, 2 видавництва, Л., 1969; Алфєєв Ст Н., Радіотехніка низьких температур, М., 1966; його ж, Криогенна електроніка, «Вісті ВУЗІВ. Радіоелектроніка», 1970, т. 13, ст 10, с. 1163—1175; Електронна техніка. Серія 15, Криогенна електроніка, ст 1, М., 1969, с. 3; Малков М., Данілов І., Кріогеника М., 1970; Уїльямс Дж., Надпровідність і її вживання в техніці, переклад з англійського, М., 1973.

  Ст Н. Алфєєв.

Мал. 2. а — схема надпровідного підсилювача; L — керована індуктивність; R п — опір переходу Джезефсона; б — активний елемент підсилювача.

Мал. 4. а — активний елемент параметричного підсилювача; б — залежність його ємності З від напруги при Т = 4, 2 До, пунктир — ця ж залежність при кімнатній температурі.

Мал. 1. а — еквівалентна схема низькотемпературного параметричного підсилювача; б — вольтамперная характеристика переходу металл—полуметалл (U — напруга, I — струм) і залежність його ємності З від напруги при Т < 80 До; пунктиром показана ця ж характеристика при кімнатній температурі (300 До): U н і w н — напруга і частота накачування; у — перехід металл—полуметалл є активним елементом підсилювача.

Мал. 3. Залежність діелектричної проникності ε і кута діелектричних втрат δ від температури Т.

Мал. 5. Кріоелектронний підсилювач з 4 керованими реактивними параметрами.

Мал. 6. Залежність шумової температури Т ш , різних підсилювачів СВЧ(надвисокі частоти) від частоти: 1 — надмалошумні електровакуумні (спеціальні типи ЛБВ) і напівпровідникові (тунельні і транзисторні) підсилювачі; 2 — неохолоджувані параметричні підсилювачі; 3, 4, 5 — кріоелектронні підсилювачі азотного, водневого і гелієвого рівнів охолоджування; 6 — парамагнітні квантові підсилювачі.

Мал. 7. Низькотемпературний параметричний підсилювач для наддалекого прийому телевізійних сигналів через штучні супутники Землі: 1 — кріостат; 2 — коливальна система з активним елементом; 3 — генератор накачування; 4 — вхідний фільтр.