Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Приборы криоэлектроники



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; сверхпроводящие магнитометры, гальванометры, болометры и др. Одной из задач криоэлектроники является создание электронных охладителей, а также миниатюрных приборов, сочетающих в одной конструкции электронную схему, криостат, служащий герметической оболочкой, и охлаждающее устройство.

По назначению криоэлектронные приборы можно разделить на несколько групп:

- приборы квантовой метрологии;

- низкочастотные измерительные приборы – сверхпроводниковые квантовые интерферометрические датчики (СКВИДы) для измерения магнитных полей;

- пассивные СВЧ-устройства, в том числе параметрические усилители, смесители, видеодетекторы и болометры, cверхпроводниковые цифровые и импульсные устройства, в том числе ячейки логики и памяти ЭВМ, аналого-цифровые преобразователи, стробоскопические преобразователи сигналов.

Принципы криоэлектроники используют для построения ряда приборов (криотроны, квантовые и параметрические усилители, резонаторы, фильтры, линии задержки и др.). Наиболее распространенным из этих приборов является криотрон. Развитие криоэлектроники началось с создания криотрона (1955 г.) - миниатюрного переключательного элемента, действие которого основано на явлении сверхпроводимости.

Криотрон (от крио... и (элек)трон) - этопереключательный криогенный элемент,основан на свойстве сверхпроводников скачком менять свою проводимость под воздействием критического магнитного поля. Действие криотрона аналогично работе ключа или реле; криотрон может находиться только в одном из двух состояний - либо в сверхпроводящем, либо с малой проводимостью. Криотроны обладают высоким быстродействием (время перехода из одного состояния в другое несколько долей мксек, порядка 10-11 сек), малыми размерами до 10-6 мм2 (несколько тысяч криотронов на площади в 1 см2), дёшевы в изготовлении и достаточно надёжны, отличаются низким потреблением энергии (10-18 Дж).

Криотроны - элементы логических, запоминающих и переключательных устройств. Криотроны могут быть как проволочными, так и плоскими (плёночными). На рис. 6.8 показана конструкция плёночного криотрона. Первые проволочные криотроны были вскоре заменены плёночными (1958 – 1960 г.г.). В 1955 – 56 г.г. появились другие плёночные запоминающие элементы: персистор, персистотрон, ячейка Кроу, однако они не получили распространения. Основным криоэлектронным элементом в вычислительной технике остался плёночный криотрон. В 1967 г. был разработан плёночный туннельный криотрон (криосар), основан на эффекте Джозефсона.

На основе криотронов можно создать криотронные БИС, выполняющие логические функции, функции запоминания с неразрушающим считыванием, управления и межэлементных соединений. Однако необходимость работы в условиях глубокого охлаждения и связанные с этим технологические трудности резко ограничивают применение криотронов.

 

Рис. 6.8. Крестообразный плёночный криотрон:

1 - управляющая плёнка (Pb); 2 - изолирующий слой (SiO2);

3 - управляемая плёнка (Sn); 4 - изоляция (SiO2);

5 - экранирующий подслой (Pb); 6 - подложка;

Iy - управляющий электрический ток;

Ib - управляемый электрический ток

 

Криоэлектронные усилители. Усилители, принцип действия которых основан на использовании криоэлектронных явлений, главным образом служат для приема слабых сигналов СВЧ. Они обладают ничтожно малым уровнем шумов, широкой полосой пропускания (десятки гигагерц) и высоким усилением (до 10000). Шумовые температуры криоэлектронных усилителей достигают единиц и долей градуса Кельвина.

Проблема приёма слабых сигналов СВЧ стимулировала появление низкотемпературных твердотельных усилителей, основанных на разных физических явлениях и обладающих ничтожно малыми шумами.

Перечислим основные особенности различных типов криоэлектронных усилителей.

Квантовые усилители служат для усиления электромагнитных волн за счет вынужденного излучения возбужденных атомов, молекул или ионов. Эффект усиления квантовых усилителей связан с изменением энергии внутриатомных (связанных) электронов в отличие от ламповых усилителей, в которых используются потоки свободных электронов. Наиболее подходящим материалом для квантовых усилителей радиодиапазона оказались диамагнитные кристаллы с небольшой примесью парамагнитных ионов. Обычно применяют рубин, рутил, изумруд с примесью окиси хрома. Охлаждение квантовых усилителей производят жидким гелием в криостатах.

В параметрических усилителях роль активного элемента (параметрического полупроводникового диода) выполняет либо p-n-переход в полупроводнике с высокой подвижностью носителей заряда при температурах ниже 90 °К, либо переход металл - полуметалл (InSb,рис. 6.9). Этот полуметалл при температурах ниже 90 °К приобретает свойства полупроводника, имеющего подвижность носителей заряда в 100 - 1000 раз выше, чем германий и кремний. В параметрическом усилителе периодически изменяется емкость колебательной системы. Мощность, потребляемая параметрическими усилителями, равна примерно 0,02 - 0,1Вт.

Сверхпроводниковые усилители также основаны на принципе параметрического усиления, но в них периодически изменяется не емкость, а индуктивность колебательной системы (рис. 6.10). Индуктивным элементом такого усилителя служит тонкая пленка сверхпроводника при температуре ниже Тк0. В сверхпроводящей пленке возникает так называемая сверхиндуктивность Lк, обусловленная взаимодействием возникающих в ней высокоэнергетических электронных пар. Индуктивность Lк при определенном выборе геометрии пленки может преобладать над обычной индуктивностью L проводника. Внешним электромагнитным полем можно периодически разрушать и восстанавливать такие электронные пары, изменяя их концентрацию пк, и тем самым периодически изменять индуктивность Lк по закону

 

Lк = 1/пк.

 

Рис. 6.9. Низкотемпературный параметрический усилитель:

а - эквивалентная схема; 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): Uн и wн – напряжение и частота накачки;

в - переход металл-полуметалл - активный элемент усилителя

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 < 80 °К появляется сильная зависимость диэлектрических потерь от внешнего электрического поля (рис. 6.11). 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. 6.10. Сверхпроводящий усилитель: а – схема,

L - yправляемая индуктивность, Rп - сопротивление перехода Джезефсона; б - активный элемент усилителя

 

 

Рис. 6.11. Зависимость диэлектрической проницаемости ε и угла диэлектрических потерь δ от температуры Т

На рис. 6.12, а приведена структура активного элемента параэлектрического усилителя, а на рис. 6.12, б - зависимость его емкости от напряжения при температуре 4,2° К. Пунктиром показана эта же зависимость при нормальной температуре (300 °К).

 

а б

Рис. 6.12. Параэлектрический усилитель: а – структура

активного элемента; б – зависимость емкости от напряжения

(1 – пленка параэлектрика; 2 – металлические пленки;

3 – конденсатор; 4 – диэлектрическая подложка;)

 

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. 6.13).

Количественным критерием чувствительности криоэлектронных усилителей является их шумовая температура Тш. У криоэлектронных усилителей она достигает единиц и долей градуса Кельвина (рис. 6.14). Наряду с этим криоэлектронные усилители обладают широкой полосой пропускания и высоким усилением (обычно от 10 до 104).

 

 

Рис. 6.13. Криоэлектронный усилитель с 4 управляемыми

реактивными параметрами.

 

 

Рис. 6.14. Зависимость шумовой температуры Тш, различных усилителей СВЧ 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.

Криоэлектронные резонаторы теоретически должны иметь бесконечно большую добротность из-за отсутствия потерь в поверхностном слое сверхпроводящих стенок. Однако практически потери существуют вследствие инерционности электронов. Наибольшая добротность достигается в дециметровом диапазоне волн. При длине волны 3 см добротность криоэлектронных резонаторов равна примерно 107 - 109. Сверхпроводящие резонаторы обычно работают при гелиевых температурах (Т = 4,2° К). Повышение стабильности частоты генераторов СВЧ 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 – 20 °K 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 (около 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 (порядка 1011) достигается в дециметровом диапазоне длин волн. Для l = 3 см добротность сверхпроводящих резонаторов порядка 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.

Криоэлектронный фильтр представляет собой цепочку последовательно соединенных сверхпроводящих резонаторов. Избирательность такого фильтра в полосе запирания повышена в 103 - 106 раз по сравнению с обычными фильтрами.

Криоэлектронные линии задержки представляют собой тонкий кабель из сверхпроводника, свернутый в спираль и помещенный в криостат. Время задержки определяется длиной кабеля и соответствует единицам или долям миллисекунды. Для получения времени задержки, измеряемого наносекундами или пикосекундами, используют сверхпроводящие меандры - извилистые линии из узких тонких сверхпроводящих пленок на диэлектрической подложке. Изменяя внешним полем распределенную индуктивность такой линии, можно управлять временем задержки.

Охлаждениев криоэлектронике достигается различными методами. Криостат, который обычно служит оболочкой прибора, часто соединяют с криогенной установкой. Для охлаждения используются также эффект Джоуля - Томсона, эффект Пельтье, эффект Эттингсгаузена, 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. Таким образом, осуществляют интеграцию. Развитие криоэлектроники особенно интегральной, приводит к увеличению надёжности приборов, уменьшению их габаритов, веса и расширяет области их применения (рис. 6.15).

 

 

Рис. 6.15. 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


7. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МОЛЕКУЛЯРНАЯ

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.