Резонаторы на сверхпроводниках.

Впервые свойства сверхпроводников на сверхвысоких частотах были исследованы Г. Лондоном. Калориметрическим методом им было исследовано поглощение в сверхпроводящем олове СВЧ колебаний на частоте 1,2 ГГц. В дальнейшем были изучены сверхпроводящие свойства в СВЧ диапазоне алюминия, индия, ртути, кадмия. Параллельно велись и теоретические исследования сверхпроводимости на СВЧ. Первоначально для описания процессов в сверхпроводниках использовались различные феноменологические модели, и только в 50-60-е годы XX века методами микроскопической теории удалось получить более полные данные.

Объёмные резонаторы нашли широкое применение при конструировании различных СВЧ устройств. Как известно, основными параметрами резонатора являются его собственная частота и добротность. Собственная частота определяется только геометрическими размерами. Наиболее широко используются прямоугольные и цилиндрические резонаторы. Важным свойством сверхпроводящих резонаторов является их очень высокая добротность. Уже сейчас имеются резонаторы, добротность которых достигает 10¹¹. Так как техника получения низких температур приобретает всё большее значение, то можно надеяться, что сверхпроводящие резонаторы найдут самое широкое применение в ближайшем будущем. Повышение стабильности частоты генераторов СВЧ ограничено величиной добротности Q объёмных резонаторов, которая зависит от активных потерь энергии в их проводящих стенках. Добротность может быть увеличена в 10—100 раз охлаждением до 15—20K за счёт уменьшения рассеяния электронов на тепловых колебаниях кристаллической решётки металла. Отметим, что именно эта характеристика претерпевает наибольшие изменения при замене обычных стенок резонатора на сверхпроводящие. [5]

За последние несколько лет развитие технологии изготовления СВЧ резонаторов позволило достичь высоких ускоряющих напряжений (вплоть до 100MB/м) при добротности выше 1010. Это обусловлено, прежде всего, применением сверхпроводящих материалов, таких как ниобий. Дальнейшее совершенствование сверхпроводящих ниобиевых резонаторов требует понимания физических процессов, связанных как с диссипацией энергии в поверхностном слое резонатора, так и с обеспечением требуемого температурного поля в его стенках. Большая часть резонаторов работает при температурах 1,8–2 K, которые обеспечиваются системами термостатирования на основе недогретого жидкого гелия. Для получения максимальных характеристик сверхпроводящего резонатора необходимо поддерживать минимально возможный температурный градиент между его поверхностным слоем, выделяющим теплоту, и гелием, его охлаждающим. Поэтому основными факторами, влияющими на параметры ниобиевого резонатора, являются значения термического сопротивления стенки и сопротивления Капицы на границе ниобий-сверхтекучий гелий. Существующие технологии изготовления сверхпроводящих СВЧ резонаторов не позволяют уменьшать сопротивление Капицы без значительного увеличения его стоимости. Поэтому снижение термического сопротивления стенок резонатора остается фактически единственным путем его совершенствования. Наибольший научный интерес вызывают исследования влияния сплошности, химической чистоты, газовых примесей, механических напряжений и кристаллической структуры ниобия на его теплопроводность и теплоемкость.

Такие высокодобротные сверхпроводящие резонаторы можно использовать как сверхточные эталоны частоты. В электронных микроскопах эти резонаторы обеспечивают огромное разрешение, малые помехи при простой регулировке. Резонаторы сортируют летящие заряженные частицы, отбирая из них те, динамика которых соответствует пульсациям поля. Можно использовать резонаторы для сверхточного измерения тепла, излучаемого внесенным в полость посторонним телом.

Особенно высокие характеристики приобретают линейные ускорители из нескольких резонаторов, объединенных последовательно. Сегодняшние линейные ускорители довольно длинны. В Стэнфорде, например, для сообщения частицам энергии 20 ГэВ пришлось вытянуть канал ускорения до 3 км. Разгон частиц обычно приходится ограничивать тысячной частью длительности рабочего цикла. Ведь при непрерывной работе стенки ускорителя перегреваются, а энергия питания становится неприемлемо большой. Так, при добротности 5-104 резонатор с медными стенками нуждается в мощности 72 МВт, что трудно обеспечить технически из-за дороговизны энергии и отсутствия высокочастотных источников нужной мощности.

Охлаждение стенок из обычных проводников позволяет увеличить их электропроводность на постоянном токе, но на больших частотах польза ограниченна - сказывается аномальный скин-эффект. Зато в сверхпроводниках толщина слоя и потери в нем могут быть ничтожно малы, что позволит длительно ускорять частицы. При более высоких скоростях можно снизить плотности частиц при том же среднем токе, а это благотворно скажется на изучении редких явлений, так как исчезнет маскирующее влияние малоинтересных массовых событий.

При использовании резонаторов со сверхпроводящими стенками длину канала можно сократить за счет роста ускоряющих электрических полей (до 106В). Ускоритель становится короче, и стоимость его уменьшается. По оценкам ученых, стоимость установки, даже с учетом затрат на охлаждение до чрезвычайно низкой температуры 1,8 K, снизится в сотни раз по сравнению с обычными линейными конструкциями.

Рис.10. Пример сверхпроводящего резонатора.

Дата добавления: 2015-10-21