Введение к работе
.; :;-
Актуальность темы. В шестидесятые годы, когда были начаты исследования, результаты которых составили содержание настоящей диссертации, изучение всего комплекса проблем криогенной электроники СВЧ ещё только начиналось, и сама она, как новое, совершенно самостоятельное научное направление, только вступала в пору своего становления. Поэтому здесь предстояло, прежде всего, детально изучить те физические механизмы, которые ответственны за высокочастотные свойства твёрдого тела, охлаждённого до криогенных температур. Затем необходимо было выделить ту группу высокочастотных эффектов и явлений в охлаждённом твёрдом теле, которые могли бы быть использованы для создания на их основе твёрдотельных устройств криогенной электроники СВЧ. И далее требовалось определить условия наиболее эффективного взаимодействия охлаждённого твёрдого тела с электромагнитным полем СВЧ и решить ряд проблем, связанных с совершенствованием рабочих параметров и эксплуатационных характеристик твёрдотельных приборов и устройств криогенной электроники СВЧ.
В начальный период этих исследований - конец 50-х и начало 60-х годов - наиболее интенсивно развивались работы по изучении - в теоретическом и экспериментальном плане - физики неравновесных, инвертированных состояний в охлаждённых парамагнетиках. Полученные при этом здесь результаты послужили затем основой для постановки широких исследований, направленных на выяснение возможностей практического использования таких состояний для квантового усиления сигналов СВЧ.
Несколько позже, в начале 70-х годов, столь же интенсивно стали развиваться теоретические и экспериментальные исследования физики неравновесных состояний и нелинейных свойств сверхпроводников. Прогресс, достигнутый в понимании этих вопросов, позволил в дальнейшем развернуть широким фронтом работы, целью которых явилось выяснение возможностей создания на основе сверхпроводников в неравновесном состоянии различных приборов и устройств криогенной электроники СВЧ. Среди этих работ значительное место занимали и вопросы, связанные с созданием сверхпроводниковых нелинейных элементов, предназначенные для преобразования частоты сигналов СВЧ.
Результаты всех этих исследований неравновесных состояний в охлаждённых парамагнетиках и сверхпроводниках сформировали тот физический фундамент, на основе которого к настоящему времени создан целый ряд очень эффективных твёрдотельных устройств криогенной электроники СВЧ, в значительной иере определивших её современный уровень. Успехи, достигнутые в этом направлении, позволили перейти сейчас к созданию сложных приёмных СВЧ систем, целиком уже работающих в условиях глубокого охлаждения их до криогенных температур и обладающих предельно высокими характе- . ристиками, недоступными в обычных температурных условиях.
В этом же направлении проводились и исследования, результаты которых составили содержание настоящей диссертации. Все они были направлены на выяснение тех особенностей неравновесных состояний охлаждённых до криогенных температур парамагнетиков и сверхпроводников и тех радиофизических аспектов взаимодействия с юши СВЧ излучения, которые главным образом и определяют эффективность использования их для ыалошумящего усиления и преобразования частоты слабых сигналов СВЧ в криогенных приёмных системах этого диапазона. Именно эта направленность работы и определяет её актуальность. В результате выполненных здесь исследований удалось найти решения ряда важных проблем современной криогенной и квантовой СВЧ электроники, yse используемые в практических разработках и открывающие новые возможности для ускоренного развития и совершенствования всего этого научного направления в целом.
Целью настояаей работы являлось, таким образом, совершенствование существующих и поиск новых методов использования парамагнетиков и сверхпроводников в неравновесном состоянии для ма-лошумящего усиления к преобразования частоты слабых сигналов СВЧ в криогенных приёмных системах этого диапазона.
Обеим направлением работы в соответствие с поставленной в. ней целью явилось: .изучение особенностей неравновесных состояний парамагнитных кристаллов и сверхпроводящих плёнок и взаимодействия гас с СВЧ излучением; выяснение физических механизмов, обеспечиващих это взаимодействие, и условий наибольшей его эффективности; поиск новых, более совершенных путей использования парамагнетиков и сверхпроводников в неравновесном состоянии для
малошумящего усиления и преобразования частоты сигналов СВЧ. Научная новизна результатов, порученных в диссертации:
впервые, с помощью предложенного и подробно исследованного в работе нового активного кристалла - андалузита с примесью трёхвалентного железа - показана реальная возможность повышения рабочих частот квантовых усилителей, по крайней мере, до 100... 150 ГГц;
впервые указаны реальные пути значительного - на порядок - повышения широкополосности квантовых методов усиления;
впервые обнаружено особое резисгивное состояние длинной сверхпроводящей плёнки с током, возникающее в ней в закритиче-ском режиме в условиях, когда температура плёнки вдоль всей её длины остаётся ниже критической, и связанный с этим состоянием новый тип нелинейности такой плёнки;
впервые указаны и всесторонне проанализированы возможности использования этого типа нелинейности длинной сверхпроводящей плёнки в таком резистивном состоянии для эффективного преобразования частоты сигналов СВЧ.
На защиту в диссертации выносятся следующие основные положения и научные результаты:
1. Предложен новый активный кристалл для квантового пара
магнитного усиления сигналов СВЧ - андалузит с примесью ионов
трёхвалентного железа, позволяющий повысить рабочие частоты
квантовых усилителей до коротковолновой границы миллиметрового
диапазона.
-
Впервые определены диэлектрические, спектральные, релаксационные, инверсионные и усилительные характеристики андалузита на частотах до 100 ГГц.
-
Проведен анализ возможностей создания в андалузите инвертированных состояний и впервые показана перспективность-применения его для квантового усиления на частотах, по крайней мере, до 100... 150 ГГц (а возможно и выше - до 300 ГГц).
-
Впервые с помощью андалузита в инвертированном состоянии осуществлено квантовое усиление на самой высокой, до настоящего времени, частоте - 100,4 ГГц.
2. Найдены новые возможности существенного повышения широ
кополосности квантовых методов усиления сигналов СВЧ инвертиро-
ванными парамагнетиками.
-
Показана впервые возможность значительного - на порядок - повышения широкополосное квантовых методов усиления в устройствах резонаторного типа путём разориентации магнитных комплексов в активном кристалле (если их в нём два) и распределённой магнитной расстройки этого кристалла.
-
Показана впервые возможность существенного повышения широкополосности магнитно-расстроенных квантовых усилителей, резонаторного типа и типа "бегущей волны", путём придания специальной формы их активным кристаллам.
3. Обнаружены и исследованы новые физические механизмы и
нелинейные явления в длинных сверхпроводящих плёнках, переве
денных постоянным током изотермически в резисгивное состояние.
-
Нетепловой механизм нелинейного сопротивления такой плёнки, обусловленный изменением длины резистивной области, возникающей в ней в закритическом режиме, происходящим при изменении напряжения на плёнке.
-
Нетепловой механизм движения границ этой резистивной области, обусловленный диффузией оттуда квазичастиц в приграничные к ней сверхпроводящие части плёнки.
-
Определены скорости этого движения, которые оказались в 2...2,5 раза выше скоростей тепловых фононов в плёнке и в окружающих её средах, что подтверждает нетепловую, в условиях изотермичности "токового" перехода, прароду механизма движения границ.
4. Предложен новый метод эффективного преобразования часто
ты сигналов СВЧ с помощью длинной сверхпроводящей плёнки, пере
веденной постоянным током изотермически в рвзистивное состояние.
-
Впервые установлена, аналитически, связь между параметрами такого преобразователя частоты, геометрией плёнки и её физическими характеристиками.
-
Проведен анализ различных режимов работы этого преобразователя частоты, результаты которого подтверждены прямыми экспериментами в сантиметровом и миллиметровом диапазонах.
Обоснованность и достоверность основных положений и результатов диссертации.обусловлены чёткой постановкой рассматриваемых задач, ясной и логичной интерпретацией обнаруженных новых фвзи-
ческих явлений и хорошим согласием полученных аналитических результатов с данными экспериментов, специально поставленных в диссертации, а также опубликованных к настоящему времени в литературе другими авторами.
Практическая ценность и реализация результатов. Практическая ценность научных результатов, полученных в диссертации, заключается в том, что они, будучи все проверены и подтвержде-ны прямыми экспериментами на лабораторных макетах, позволили указать реальные пути значительного совершенствования методов малошумящего усиления и преобразования частоты сигналов СВЧ в твёрдотельных устройствах криогенной электроники, основанных на использовании неравновесных состояний парамагнетиков и сверхпроводников. Кроме того, практическая ценность материала, изложенного в диссертации, заключается ещё в том, что по всем рассмотренным в ней вопросам получены аналитические выражения, позволяющие рассчитывать основные параметры предложенных в работе криоэлектронных устройств СВЧ.
Все результаты выполненных исследований имеют самое непосредственное отношение к практическим потребностям современной криогенной электроники СВЧ и уже использованы в Радиоастрономическом институте АН УССР и в Институте радиофизики и электроники АН УССР при разработке квантовых усилителей на андалузите в средне- и коротковолновой части миллиметрового диапазона. В настоящее время на этой основе в Радиоастрономическом институте АН УССР ведутся разработки высокочувствительных радиометрических комплексов миллиметрового диапазона, которые предназначены для проведения радиоастрономических наблюдений на строящемся радиотелескопе РТ-70 Института космических исследований АН СССР.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены и доложены на Всесоюзном совещании по изучению свойств твёрдого тела методом магнитного резонанса (Красноярск, 1964), Международной конференции по квантовой электронике (США, 1968), Советско-японской конференции по физике низких температур (Новосибирск, 1969), 17-й Всесоюзной конференции по физике низких температур (Донецк, 1972), 2-й Всесоюзной школе-семинаре по радиоприёмным устройствам СВЧ (Ереван, 1974), 1-й Всесоюзной школе-семинаре по применению эффекта Джозефсона в вычислительной тех-
нике (Киев, 1974). Всесоюзном семинаре по приёмным устройствам на основе эффекта Джозефсона (Москва, 1977), 20-й Всесоюзной конференции по физике низких температур (Москва, 1979), 14-й Всесоюзной радиоастрономической конференции (Ереван, 1982), Совете по проблеме "Радиоастрономическая аппаратура" (Москва, 1983), 9-й Международной конференции по миллиметровым и субмиллиметровым волнам (Япония, 1984), 17-й Всесоюзной конференции "Радиоастрономическая аппаратура" (Ереван, 1985).
Публикация результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в центральных научных журналах в 52 статьях и защищены 8 авторскими свидетельствами, списки которых прилагаются в конце автореферата.
Структура и объём диссертации, диссертационная работа состоит из Предисловия, двух частей, включающих 9 разделов, и Выводов. Она содержит 260 страниц основного машинописного текста, 59 рисунков и список цитируемой литературы, содержащий 286 наименований, включая 60 публикаций автора.
