Надпровідний підсилювальний модуль

1. Надпровідний підсилювальний модуль, що містить два струмонесучі елементи із контактами на кінцях, які виконані у вигляді надпровідних плівок із товщиною не більше глибини проникнення поля у надпровідник і відстанню між ними не мен 2 (19) 1 3 53087 Ознаками аналогу, які збіжні з суттєвими ознаками корисної моделі, який заявляється, є наявність двох струмонесучих елементів із кінцевими контактами, які виконані у вигляді надпровідних плівок, нанесених на діелектричну основу, товщина яких менша глибини проникнення поля у надпровідник та відстань між якими не менша 30 ,а також вхідний модулюючий і вихідний збираючий провідники виконані у вигляді щілястих ліній, які утворюють плоскі резонатори. Задачею цього корисної моделі є зменшення енергоспоживання підсилювального модуля та збільшення коефіцієнта підсилення. Ця мета досягається тим, що у відомій конструкції аналогу, яка має два ідентичних струмонесучих елемента, які мають кінцеві контакти та які виконані у вигляді надпровідних плівок, нанесених на діелектричну основу, товщина яких менша від глибини проникнення поля у надпровідник та відстань між якими не менша 30 , а також має вхідну і вихідну щілясті лінії, струмонесуча надпровідна плівка, в якій більші постійна дрейфова швидкість куперівських пар, виконується не ідентичною, а із меншим поперечним перерізом, ніж друга плівка, що призводить до зменшення струму, який протікає у плівці, та зменшенню енергоспоживання підсилювача, яке визначається переважно потужністю, яку має більш швидкісний потік, оскільки він має більший потенціал та струм при однакових площах поперечного перерізу. При цьому зменшення площі поперечного перерізу плівки із більш високою швидкістю куперівських пар проводиться таким чином, що величина струмів, які протікають у обох плівках залишаються однаковими. Із [3] та інших джерел відомо, що заміна одношвидкісного електронного потоку двома потоками з різними швидкостями із тим же сумарним струмом суттєво розширює робочу смугу підсилення та при певному наборі параметрів збільшує коефіцієнт підсилення та коефіцієнт корисної дії. З урахуванням ефекту розпарювання надпровідних пар, струми, які протікають у надпровідних плівках, будуть одинакові, якщо поперечні перерізи плівок задовольняють умову [5] S1 S2 m 2 2 m 2 1 2 V2 , V1 (1) 2 де S1 та S2 - площі поперечного перерізу плівок 1 і 2; V1 та V2 - постійні дрейфові швидкості надпровідних пар у плівках 1 і 2; = 1,1(0,108Т -1) 10-26 Дж - коефіцієнт теорії Гінзбурга - Ландау; m = 0,91 10-30 кг - маса електрона; T - абсолютна температура плівок. Практично запропонована конструкція підсилювального модуля являє собою твердотільний аналог вакуумної електронно-хвильової лампи із двома електронними потоками, які мають різну швидкість. 4 На фігурі 1 зображений загальний вигляд підсилювального модуля; на фігурі 2 - вольт-амперна характеристика надпровідної плівки підсилювача; фігурі 3 зображений поперечний переріз іншого варіанту підсилювального модуля. Надпровідний підсилювальний модуль (фігура 1) містить тонку надпровідну плівку 1 із повільною швидкістю надпровідних пар V1, яка знаходиться у надпровідному стані; два контакти 2 на кінцях надпровідника, через які на плівку 1 подається напруга від джерела Е1; та тонку надпровідну плівку 3 із надпровідними парами, які мають більшу швидкість V2; та контактами 4 на кінцях, через які на плівку 3 подається напруга від джерела Е2. Плівки 1 і 3 знаходяться на відстані  не менш 30 для того, щоб між плівками 1 і 3 був відсутній ефект Джозефсона та тунелювання неспарених електронів, і розташовані на діелектричній основі 5, яка з'єднана із плоским металевим екраном 6. Діелектрична основа 5 з'єднана із шаром діелектрика 7, на поверхні якого розташовані провідники вхідної щілястої полоскової лінії 8 і 9, електрично з'єднані з провідниками вхідної лінії передачі 10, через яку від джерела 11 на модуль подається електромагнітний сигнал для підсилення. Відрізки вхідної щілястої полоскової лінії 8 та 9 із металевим екраном 6 та діелектричними шарами 5 і 7 утворюють плоский вхідний резонатор, який призначений для модуляції надпровідних пар у плівках 1 та 3 по швидкості. Для знімання підсиленого сигналу від згрупованих куперівських надпровідних пар, які рухаються у плівках 1 і 3, на поверхні діелектрика 7 також розташований вихідний плоский резонатор, утворений відрізками вихідної щілястої полоскової лінії 12 та 13, які електрично з'єднані з вихідною лінією передачі 14, через яку у навантаження 15 передається підсилений електромагнітний сигнал. Для зменшення енергоспоживання підсилювального модуля, поперечний переріз надпровідної плівки 3 із більш швидкими надпровідними парами S2 виконується меншим так, щоб виконувалась умова (1), при якій струми надпровідних пар I1 та I2 у плівках 1 і 3 - однакові. Фрагмент другого можливого варіанту надпровідного підсилювального модуля зображений на фігурі 3. Модуль містить ряд однакових тонких надпровідних плівок (1,1’...) із повільною швидкістю надпровідних пар V1 з двома контактами (2, 2’...) на кінцях кожної плівки, через які на плівки (1,1’ …) подається напруга від джерела Е1, та ряд однакових тонких плівок із більш швидкими надпровідними парами V2 (3, 3’ ...) з двома контактами (4, 4’ ...) на кінцях кожної плівки, через які на плівки (4, 4’ ...) подається напруга від джерела Е2. Плівки (1,1'...), (3, 3'...) розташовані на діелектричній основі 5 на відстані не меншій за 30 одна від одної та чергуються між собою, яка з'єднана із плоским металевим екраном 6 та діелектричним шаром 7. Аналогічно фігурі 1, на поверхні шару діелектрика 7 розташовані провідники вихідної щілястої полоскової лінії 8 і 9 з лінією передачі 10 та джерелом сигналу 11 і провідники вхідної щілястої полоско 5 53087 вої лінії 12, 13 з лінією передачі 14 та навантаженням 15 (на фігурі 3 не наведені). Таке чергування надпровідних плівок із різними дрейфовими швидкостями V1 та V2 суттєво збільшує коефіцієнт зв'язку p між плівками і, як показано у [6] та інших джерелах, при малих відV1 V2 ношеннях швидкостей значно підвищує постійну розповсюдження хвилі просторового заряду і, як наслідок, коефіцієнт підсилення модуля. Кількість ідентичних плівок, на які розбивається кожен струмонесучий елемент, може досягати кількох десятків, при цьому сумарні площі кожного струмонесучого елемента повинні задовольняти умову (1). Усі провідникові та ізоляційні шари модуля можуть бути виготовлені методом вакуумного (або хімічного) напилення за допомогою фото- або електронної літографії. Підсилювальні надпровідні модулі, наведені на фігурах 1 та 3, працюють таким чином. Джерела Е1 та Е2, електрично з'єднані через змінні опори R1, і R2 відповідно з контактами 2 та 4 на кінцях плівок 1 і 3, які знаходяться у надпровідному стані, створюють у них направлений рух куперівських надпровідних пар електронів від вхідної передаючої лінії 10 до вихідної передаючої лінії 14. Оскільки надпровідні плівки 1 та 3 знаходяться на відстані  не менше 30 , то куперівські пари та незконденсовані електрони не можуть тунелювати із плівки 1 у плівку 3 та навпаки. Тому струми I1 та I2 у плівках 1 і 3 протікають незалежно один від одного й фази надпровідних пар у плівках 1 і 3 також можуть змінюватись незалежно одна від одної. Надпровідні електронні пари, що рухаються у плівках 1 і 3, не розсіюються на домішках та решітці, причому швидкість руху пар визначається наступними співвідношеннями: E1 1 V1 ; 2n1eS1 2n1eS1R1 V2 2 2n 2 eS 2 E2 ; 2n 2 eS 2R 2 (2) де V1 та V2 - поздовжня швидкість руху пар у плівках 1 і 3 відповідно; 1,2 1,2 R1,2 - струми, що протікають у плівках 1,3; n1 та n2 - концентрація надпровідних пар у плівках 1 і 3; S1 та S2 - площа поперечного перерізу плівок 1,3; E1 та Е2 - електрорушійна сила джерел; R1 та R2 - сумарний опір електричного кола плівок 1,3 (джерел струму, змінних опорів та з'єднуючих дротів); e - заряд електрона. Електромагнітний сигнал, що має бути підсилений, від джерела 11 через вхідну передаючу лінію 10 подається на вхідний резонатор, утворений провідниками щілястої полоскової лінії 8 і 9. 6 Відстань між провідниками вхідної (і вихідної) щілястої полоскової лінії визначається за формулою V V2 d k 1 , (3) 2f де V1 та V2 - постійні складові повздовжнього руху пар у плівках 1 і 3; - середня робоча частота модуля; K - чисел 1, 2, 3.... Довжина провідників ухідного резонатора 8 та 9 L1 (і вихідного L2) вибирається із умови максимального узгодження з вхідною (вихідною 14) лінією передачі 10, або вибирається довільною, якщо на кінці щілястих ліній передачі навантажити опором, який дає хороше узгодження на робочій смузі частот модуля. Куперівські надпровідні пари у плівках 1 і 3, рухаючись під провідниками 8 й 9 вхідного резонатора, модулюються по швидкості вхідним сигналом та групуються у згустки. При цьому, як показано в [6], у плівках 1 і 3 збуджується чотири хвилі просторового заряду, одна з яких експоненціально зростає вздовж плівок 1 на 3, як і у вакуумній електро-хвильовій лампі. Згруповані згустки надпровідних куперівських пар, що рухаються під провідниками 12 і 13 вихідної щілястої лінії, збуджують у них підсилений вихідний сигнал, який через вихідну передаючу лінію 14 проходить у навантаження модуля 15. Змінюючи струми I1 та I2, що протікають через плівки 1 і 3 в межах від 0 до критичного значення струму Іс (ділянка ОА вольт-амперної характеристики надпровідної плівки на фігурі 2), за допомогою змінних опорів R1 та R2, можна в широких межах змінювати постійні швидкості дрейфу надпровідних пар V1 та V2 і, таким чином, вибирати оптимальний режим роботи підсилювального модуля. При збільшенні струмів I1 та I2 більше ніж критичне значення струму Іс вольт-амперна характеристика плівок розривається (ділянка ВС на фігурі 2), при якому всі куперівські надпровідні пари розпадаються у плівці на вільні електрони. Оптимальна товщина надпровідних плівок 1 і 3 не повинна перевищувати глибину проникнення електромагнітного поля у надпровідник , оскільки у цьому випадку до надпровідних пар у плівках, що розташовані глибше від моделюючих провідників 8 та 9 вхідного резонатора, поле вхідного сигналу не проникає і вони не приймають участі у процесі групування надпровідних пар, що приводить до зайвих витрат потужності джерел E1 й Е2 на опорах R1 і R2. Список використаних джерел 1. Письма ЖТФ. -1989. -Т.15,№5. - С. 9-13. 2. Пат. 4807314/SU Україна H01L39/16. Твердотільний підсилювач / В.В.Онушко, В.В.Онушко. №9129, заявл. 28.03.90; опубл. 30.09.96, Бюл. №3. 3. Пат. 5014234 Российская Федерация H01L39/16, H03F19/00. Усилитель бегущей волны /В.В.Онушко, В.В.Онушко. - №2022413, заявл. 03.10.91; опубл. 30.10.94, Бюл. №20. 4. Филимонов Г.Ф. Нелинейная теория двулучевой электронной лампы. Ч. 2: Результаты вычислений / Г.Ф. Филимонов // Радиотехника и электроника. - 1959. - №5. - С. 832 - 840. 7 53087 5. Шмидт В.В. Введение в физику сверхпроводников /В.В. Шмидт. - М.: Наука, 1982. - 238 с. 6. Онушко В.В. Досліження хвиль просторового заряду дрейфуючої плазми надпровідних купе Комп’ютерна верстка Л. Купенко 8 рівських пар для підсилення / В.В. Онушко, В.В. Онушко // Проблемы создания новых машин и технологий: научные труды ЮПИ. - Кременчуг, 2000. - Вып. 1/2000(8). - С. 378 - 382. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601