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 (См. Диэлектрики) 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 Криоэлектроника 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.
Криоэлектронныеусилители. 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 (См. Параметрический полупроводниковый диод)) играет либор—n-переход в полупроводнике (См. Полупроводники)свысокой подвижностью носителей при Т < 90К, либо переход металл — полуметалл (См. Полуметаллы) (InSb, рис. 1). Последний приобретает при Т < 90К свойства полупроводника, имеющего подвижность носителей в 102—103раз выше, чем у Ge и Si. Мощность, потребляемая таким усилителем, Криоэлектроника 10-1— 10-2вт.
Сверхпроводниковый усилитель также основан на принципе параметрического усиления, но в этом случае периодически изменяется не ёмкостьСколебательной системы, а её индуктивностьL(рис. 2). Индуктивным элементом такого усилителя служит тонкая плёнка сверхпроводника при температуре несколько нижеTkp.В сверхпроводящей плёнке возникает т. н. «сверхиндуктивность»Lкобусловленная кинетической энергией движущихся сверхпроводящих электронных пар. ИндуктивностьLkпри определённом выборе геометрии плёнки может преобладать над обычной индуктивностьюLпроводника. Внешним электромагнитным полем можно периодически разрушать и восстанавливать сверхпроводящие электронные пары, изменяя их числоns,и этим самым можно периодически изменять индуктивностьLkпо 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 индуктивностиLсверхпроводника и ёмкостиС«запертого» перехода металл — полуметалл позволяет создать усилитель, где одновременно от одного генератора модулируетсяСиL,что улучшает характеристики усилителей (рис. 5).
Количественным критерием чувствительности криоэлектронных усилителей является их Шумовая температураТш.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 добротностиQобъёмных резонаторов (См. Объёмный резонатор), которая зависит от активных потерь энергии в их проводящих стенках. Теоретически пределQобычных резонаторов 2—8·103для 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 (См. Колебания 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 (Криоэлектроника 1011гц),когда энергия кванта электромагнитного поля сравнима с энергией расщепления сверхпроводящих электронных пар (3,52k T), потери в сверхпроводящем и нормальном состояниях становятся одинаковыми. Поэтому наибольшая добротность (QКриоэлектроника 1011) достигается в дециметровом диапазоне длин волн. Дляλ =3смдобротность сверхпроводящих резонаторовКриоэлектроника 107—1010.С помощью сверхпроводящих резонаторов стабильность частоты обычных Клистронов может быть улучшена с 5․10-4до 10-9—10-10, т. е. до уровня стабильности квантовых стандартов частоты (См. Квантовые стандарты 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—106раз 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 (τ Криоэлектроникамсекили долеймсек). Применяется в радиолокации и измерительной технике. Для τ Криоэлектроникансекилипсекиспользуются сверхпроводящие меандры — извилистые линии из узких тонких сверхпроводящих плёнок на диэлектрической подложке. Изменяя внешним полем распределённую индуктивность такой линии, можно управлять временем задержки τ. Применяются также параэлектрические фильтры и линии задержки.
Охлаждениев 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 (1кгтвёрдого азота может находиться в космосе до 1 года).
Иногда несколько приборов помещают в общий криостат, который может выполнять также определённые функции, например служить антенной (См. Антенна). 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.
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): Uни ωн— напряжение и частота накачки; в — переход металл—полуметалл является активным элементом усилителя.
Рис. 2. а — схема сверхпроводящего усилителя; L — yправляемая индуктивность; Rп— сопротивление перехода Джезефсона; б — активный элемент усилителя.
Рис. 3. Зависимость диэлектрической проницаемостиεи угла диэлектрических потерь δ от температуры Т.
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. 5. Криоэлектронный усилитель с 4 управляемыми реактивными параметрами.
Рис. 6. 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.
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.