Надпровідний підсилювальний модуль

Реферат: Винахід належить до підсилювачів високочастотних електромагнітних хвиль з використанням надпровідних плівок і може бути використаний у вхідних радіоелектронних пристроях як попередній підсилювач. Надпровідний підсилювальний модуль містить дві надпровідні плівки, товщиною не більше глибини проникнення поля у надпровідник, у яких надпровідні куперівські пари рухаються із різними швидкостями, та вхідний і вихідний резонатори у вигляді щілястих стрічкових ліній. Для виключення ефекту Джозефсона та тунелювання неспарених електронів між плівками, відстань між плівками повинна бути більшою за 30 Å. Відмітною частиною винаходу є те, що поперечний переріз плівки із швидкими парами виконується із меншою площею поперечного перерізу так, щоб струми плівок були рівними. Для збільшення коефіцієнта електромагнітного зв'язку між плівками, кожна із струмопровідних плівок також може розбиватися на одинакові частини, які чергуються між собою. Технічним результатом винаходу є зменшення енергоспоживання та більший коефіцієнт підсилення. UA 100525 C2 (12) UA 100525 C2 UA 100525 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до підсилювачів високочастотних електромагнітних хвиль з використанням надпровідних плівок і може бути використаний у вхідних радіоелектронних приймальних пристроях як попередній підсилювач. Відомі конструкції твердотільних підсилювачів [1, 2], у яких носії електричних зарядів – дрейфуючі вихори Абрикосова або надпровідні куперівські пари – у надпровідних плівках взаємодіють із синхронно біжучим по сповільнюючій системі полем електромагнітного сигналу, що підсилюється. Недоліком цих підсилювачів є вузька смуга частот, що підсилюється, яка визначається дисперсією сповільнюючої системи та одношвидкісним потоком електричного заряду у надпровідних плівках. Найбільш близьким до винаходу, який заявляється, є підсилювач [3], який містить струмонесучий елемент із кінцевими контактами та сповільнюючу систему, яка електрично з'єднана із вхідною та вихідною лініями передачі та відділена діелектричним шаром від струмонесучого елемента, який виконано у вигляді надпровідної плівки, товщина якої менша глибини проникнення поля у надпровідник, та додатковим ідентичним струмонесучим ° елементом і додатковим діелектричним шаром, товщина якого не менша 30 А і який розташований між надпровідними плівками струмонесучих елементів. Недоліком такої конструкції підсилювача є великий струм плівки із більш швидким потоком надпровідних пар при ідентичних поперечних перерізах надпровідних плівок та ослаблення поля сигналу, що підсилюється, на вхідному та вихідному відрізках щілястих ліній передачі. Як відомо із [4] та інших джерел, для ефективної взаємодії двох різношвидкісних електронних потоків струми їх повинні бути приблизно однаковими. Більш швидкий потік надшвидкісних пар при однаковій площі поперечного перерізу надпровідних плівок буде мати більший струм і потенціал, що призводить до збільшення енергоспоживання підсилювача, що вкрай небажано, особливо при космічному базуванні. Вертикальне розташування плівок та вхідної і вихідної щілястої лінії передач у аналозі [3], призводить до того, що електромагнітне поле вхідної щілястої лінії добре проникає у плівку, розташовану ближче до лінії, і, затухаючи по товщині першої плівки, потрапляє у другу плівку, розташовану далі, значно ослабленим. Це призводить до того, що модуляція по швидкості куперівських пар та їх групування у другій плівці також проходить менш інтенсивно і, як наслідок, ефективність підсилювання також зменшується. Це викликає необхідність збільшувати поздовжню довжину підсилювача для збереження коефіцієнта підсилення і призводить до збільшення габаритів підсилювача. Ознаками аналога, які збіжні з суттєвими ознаками винаходу, 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, а також вхідний модулюючий і вихідний збираючий провідники виконані у вигляді щілястих ліній, які утворюють плоскі резонатори. Задачею цього винаходу є зменшення енергоспоживання підсилювального модуля та збільшення коефіцієнта підсилення. Ця задача вирішується тим, що у відомій конструкції аналога, яка має два ідентичних струмонесучих елементи, 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, а також має вхідну і вихідну щілясті лінії, струмонесуча надпровідна плівка, в якій більш 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] 1 UA 100525 C2 m 2 2  S1 2  V2 , (1)  2 S2 V1 m1  2 де S1 та S 2 – площі поперечного перерізу плівок 1 і 2; V1 та V2 – постійні дрейфові швидкості надпровідних пар у плівках 1 і 2;   11(0,108 T  1)  10 26 Дж – коефіцієнт теорії Гінзбурга–Ландау; , 5 10 15 20 25 30 35 40 45 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. На фігурі 1 зображений загальний вигляд підсилювального модуля; на фігурі 2 – вольтамперна характеристика надпровідної плівки підсилювача; на фігурі 3 зображений поперечний переріз іншого варіанта 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 E 1 ; 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 E 2 . Плівки 1 і 3 ° знаходяться на відстані l не менш 30 А 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 смугової 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 смугової 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 смугової 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 S 2 виконується меншим так, щоб виконувалась умова (1), при якій струми надпровідних пар I1 та I2 у плівках 1 і 3 – однакові. Фрагмент другого можливого варіанта 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 E 1 , 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 E 2 . Плівки (1,1'…), (3, 3'…) ° розташовані на діелектричній основі 5 на відстані, не меншій за 30 А 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 смугової лінії 8 і 9 з лінією передачі 10 та джерелом сигналу 11 і провідники вхідної щілястої смугової 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 р між плівками і, як показано у [6] та інших джерелах, при малих V відношеннях, швидкостей 1 значно підвищує постійну розповсюдження хвилі просторового V2 заряду і, як наслідок, коефіцієнт підсилення модуля. 2 UA 100525 C2 5 10 15 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 E 1 та E 2 , електрично з'єднані через змінні опори R1 і R 2 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 передавальної лінії 10 до вихідної передавальної лінії 14. Оскільки надпровідні плівки 1 та 3 знаходяться на відстані l не ° менше 30 А, то куперівські пари та несконденсовані 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: I1 E1 ; V1   2n1eS1 2n1eS1R1 (2) I2 E2 , V2   2n 2 eS 2 2n 2 eS 2R 2 де V1 та V2 – поздовжня швидкість руху пар у плівках 1 і 3 відповідно; I1,2  20 25 30 35 40 45 E1,2 R1,2 – струми, що протікають у плівках 1,3; n1 та n 2 – концентрація надпровідних пар у плівках 1 і 3; S1 та S 2 – площа поперечного перерізу плівок 1,3; E 1 та E 2 – електрорушійна сила джерел; R1 та R 2 – 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 передавальну лінію 10 подається на вхідний резонатор, утворений провідниками щілястої смугової лінії 8 і 9. Відстань між провідниками вхідної (і вихідної) щілястої смугової лінії визначається за формулою V  V2 , dk 1 2f де V1 та V2 – постійні складові поздовжнього руху пар у плівках 1 і 3; f – середня робоча частота модуля; K – чисел 1, 2, 3…. Довжина провідників вхідного резонатора 8 та 9 L 1 (і вихідного L 2 ) 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 та 3, як і у вакуумній електрохвильовій 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 передавальну 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 Ic (ділянка ОА вольт-амперної характеристики надпровідної плівки на фігурі 2), за допомогою змінних опорів R1 та R 2 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 3 UA 100525 C2 5 10 15 20 Ic 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 E 1 та E 2 на опорах R1 та 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. 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 куперівських пар для підсилення / В.В. Онушко, В.В. Онушко // Проблемы создания новых машин и технологий: научные труды КГПИ. – Кременчуг, 2000. – Вып. 1/2000(8). – С. 378-382. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 1. Надпровідний підсилювальний модуль, що містить два струмонесучі елементи із контактами на кінцях та які виконані у вигляді надпровідних плівок із товщиною не більше глибини проникнення поля у надпровідник і відстанню між ними не менше 30 Å, нанесених на діелектричну основу, а також вхідну та вихідну щілясті лінії, відділені від плівок діелектричним шаром, який відрізняється тим, що надпровідні плівки виконані з різною швидкістю надпровідних пар у них, при цьому надпровідна плівка або плівки із більш швидкими надпровідними парами виконана із меншою площею поперечного перерізу. 2. Підсилювальний модуль за пунктом 1, який відрізняється тим, що кожен струмоведучий елемент виконаний у вигляді кількох однакових плівок, які чергуються з плівками іншого елемента. 4 UA 100525 C2 5 UA 100525 C2 Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6