КРИОЭЛЕКТРОНИКА

КРИОЭЛЕКТРОНИКА криогенная
электроника, направление, охватывающее исследование взаимодействия электромагнитного
поля с электронами в твёрдых телах при криогенных темп-pax (ниже 90К) и
создание элект-^: ронных приборов на их основе. В крио-электронных
приборах используются различные явления: сверхпроводимость металлов
и сплавов, зависимость диэлект-рич. проницаемости нек-рых диэлектриков
от
электрич. 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 вычислит.
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 К. является создание
электронных охладителей, а также миниатюрных приборов, сочетающих в одной
конструкции электронную схему, криостат, служащий герметич. оболочкой,
и охлаждающее устройство.



Криотроны. Развитие К. началось
с создания криотрона (1955) - миниатюрного переключательного элемента,
действие к-рого осн. на явлении сверхпроводимости, Криотроны - элементы
логических, запоминающих и переключательных устройств. Они отличаются низким
потреблением энергии(10 ^-18 дж), малыми габаритами (до
10^-6 мм²), быстродействием (время переключения
10 ^-11 сек). Первые проволочные криотроны были вскоре
заменены плёночными (1958- 1960). В 1955-56 появились др. плёночные запоминающие
элементы: перси-стор, персистотрон, ячейка К р о у, однако они не получили
распространения. Осн. криоэлектронным элементом в вычислительной технике
остался плёночный криотрон. В 1967 был разработан плёночный туннельный
криотрон (криосар), осн. на Джозефсона эффекте.



Криоэлектронные усилители. Проблема
приёма слабых сигналов СВЧ стимулировала появление низкотемпературных твёрдотельных
усилителей, осн. на разных физич. явлениях и обладающих ничтожно малыми
шумами. К ним следует отнести прежде всего парамагнитный квантовый усилитель
и
параметрический усилитель, работающий при темп-ре 90К. В последнем роль
активного элемента (параметрического полупроводникового диода)
играет
либо р - n-переход в полупроводнике с высокой подвижностью
носителей при Г<90К, либо переход металл - полуметалл
(InSb,
рис. 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 ^-2вт.

Сверхпроводниковый усилитель также
основан на принципе параметрич. 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 темп-ре несколько ниже Тт. н. "сверхиндуктив-ность" Lдвижущихся сверхпроводящих электронных пар. Индуктивность
Lпри
определённом выборе геометрии плёнки может преобладать над обычной индуктивностью
L проводника. Внеш. электромагнитным полем можно периодически разрушать
и восстанавливать сверхпроводящие электронные пары, изменяя их число nи
этим самым можно периодически изменять индуктивность
Lпо
закону:

L

Параэлектрические усилители осн. на
аномально высокой поляризации нек-рых диэлектриков (напр., СrТiOпри низких темп-pax. Ди-электрич. проницаемость таких диэлектриков (параэлектриков)
от 10 до 15-10³, при Т<80К появляется сильная зависимость
диэлектрич. потерь от внеш. электрич. поля (рис. 3). Активный элемент параэлектрич.
усилителя представляет собой электрич. конденсатор, заполненный таким параэлектриком,
помещённым в электромагнитное поле (накачка). Ёмкость такого конденсатора
периодически изменяется с частотой накачки, что позволяет осуществить пара-метрич.
усиление (рис. 4).

Существуют усилители, в к-рых 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 7

У криоэлектронных усилителей она достигает
единиц и долей градуса К (рис. 6). Наряду с этим криоэлектрон-ные усилители
обладают широкой полосой пропускания и высоким усилением (обычно от 10
до 10⁴).

Криоэлектронные резонаторы. Повышение
стабильности частоты генераторов СВЧ ограничено величиной добротности

Q объёмных резонаторов, к-рая
зависит от активных потерь энергии в их проводящих стенках. Теоретич. предел
О обычных резонаторов 2-8*10³ для осн. типа волн в сантиметровом
диапазоне. Добротность может быть увеличена в 10-100 раз охлаждением до
15-20К 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 ( 10¹¹ гц), когда энергия кванта электромагнитного
поля сравнима с энергией расщепления сверхпроводящих электронных пар (3,52
k
Т), 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
10⁷-10⁹. С помощью сверхпроводящих резонаторов
стабильность частоты обычных клистронов может быть улучшена c5*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 темп-рах (4,2 К). Если в них используются
сверхпроводники 1-го рода, то их рабочая темп-pa поднимается до 10-15 К.

Фильтры и линии задержки. Сверх-проводящий
фильтр представляет собой цепочку последоват. 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 помещённый в крио-стат. Его длина соответствует времени задержки сигнала
(т мсек или долей мсек). Применяется в радиолокации и измерительной
технике. Для т нсек или псек используются сверхпроводящие
меандры - извилистые линии из узких тонких сверхпроводящих плёнок на диэлектрической
подложке. Изменяя внеш. полем распределённую индуктивность такой линии,
можно управлять временем задержки т. Применяются также Параэлектрические
фильтры и линии задержки.

Охлаждение в К. достигается различными
методами. Криостат, к-рый обычно служит оболочкой прибора, часто соединяют
с криогенной установкой. Для охлаждения используются также Джоуля -
Томсона эффект, Пелътъе эффект, Эттингсгаузена эффект, магнитное
охлаждение и др. В приборах для космич. исследований охлаждение и поддержание
низких темп-р достигается за счёт использования отвердевших газов (1 кг
твёрдого
азота может находиться в космосе до 1 года).

Иногда неск. приборов помещают в общий
криостат, к-рый может выполнять также определённые функции, напр. 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.: Б р э м е р 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; Уильяме Д ж., Сверхпроводимость и ее применение
в 'технике, перевод с английского, М., 1973.

В. Н. Алфеев.