Значение слова криоэлектроника

КРИОЭЛЕКТРОНИКА (криогенная электроника) область науки и техники, занимающаяся применением явлений, имеющих место в твердых телах при криогенных температурах (в присутствии электрических, магнитных и электромагнитных полей), для создания электронных приборов (напр., криотрон) и устройств.

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; 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 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. 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 Tkp. В сверхпроводящей плёнке возникает т. н. «сверхиндуктивность» Lкобусловленная кинетической энергией движущихся сверхпроводящих электронных пар. Индуктивность Lk 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 ns, и этим самым можно периодически изменять индуктивность Lkпо закону: Lk = 1/ns. 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 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 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 ~ 101

1. 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. 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.