Криотрон

КРИОТРОН

Это миниатюрный переключательный криогенный элемент, действие которого основано на свойстве сверхпроводимости. Первые криотроны были проволочными, но уже в конце 50-х годов появились пленочные, в которых рабочее вещество наносилось на изолирующую подложку. Пленочные криотроны обладают высоким быстродействием, малыми размерами (на одном квадратном сантиметре помещается несколько тысяч криотронов), дешевы в изготовлении и надежны в эксплуатации.
 
Процесс переключения сверхпроводника из нормального состояния в сверхпроводящее занимает юченъ короткие интервалы времени; от 10 до 10¹¹с. Незатухающий ток в сверхпроводнике и возможность управлять сверхпроводимостью очень привлекательны для создания систем запоминания, кодирования, информации. Кодирование можно осуществить в двоичной системе: наличие тока — единица, его отсутствие — нуль. Первое свое применение криогенные переключатели нашли в качестве запоминающих устройств в ЭВМ.
Сверхпроводимость и другие физические процессы, проявляющиеся при низких температурах, открыли принципиально новые возможности для создания электронных приборов.
Одна из основных задач, встающих перед современной электроникой, заключается в том, чтобы сохранить форму сигнала, проходящего через электрическую цепь, без искажений. Элементами современных электронных схем служат полупроводниковые приборы. Но даже незначительные примеси, дефекты кристаллической решетки могут изменить электропроводность полупроводникового материала и, как следствие, привести к искажению формы сигнала.
 
Борьба с этими искажениями, по-видимому, состоит в совершенствовании технологических процессов изготовления полупроводниковых кристаллов.
Но к искажению формы сигнала приводят и так называемые собственные шумы, неизбежно существующие в любом, даже идеально сконструированном электронном приборе. Эти шумы появляются вследствие теплового движения электронов и ионов в материалах. Особенно важным представляется снижение собственных шумов в радиоэлектронных устройствах, предназначенных для приема слабых сигналов.
 
Одним из способов уменьшения собственных шумов может быть снижение температуры, при которой работает аппаратура. При низких температурах, как известно, тепловое движение электронов как бы затихает. Создание «малошумящих» усилителей, охлажденных до гелиевых температур, было очень важным в радиоастрономии, где часто приходилось иметь дело с предельно слабыми сигналами, в системах космической связи. В 60-х годах XX века в системах спутниковой связи начали активно применяться усилители, охлаждаемые до температуры жидкого азота — минус 196°С. На этом принципе, в частности, работает система «Орбита», с помощью которой передачи Центрального телевидения могут смотреть жители районов Сибири и Дальнего Востока.
Обращение к низким температурам очень важно в энергетике. Сверхпроводящие материалы найдут применение в создании дальних линий электропередач (сверхпроводимость способствует уменьшению потерь энергии), разного рода электродвигателей, трансформаторов.
 
Криоэлектроника, и в частности ее новое поколение — интегральная криоэлектроника, позволит решить задачу создания сверхчувствительных приемников слабого излучения в ИК-Диапазоне. Это важно для приема как естественного, так и лазерного излучения. Создание индикаторов слабого теплового поля сделает реальным тепловидение.
И наконец, большие надежды возлагаются на криоэлектронику при разработке нового класса ЭВМ со сверхбольшой памятью и малыми габаритами , смогут хранить сотни миллионов бит информации, записанной всего на 5000 пластин размером 1 см². А измерительные приборы, использующие криогенные устройства, будут иметь в сотни и тысячи раз большую чувствительность и разрешающую способность. Кроме того, охлаждаемые и криоэлектронные приборы будут способствовать дальнейшей микроминиатюризации радиотехнической аппаратуры.
Известный   советский  исследователь  профессор B. Н. Алфеев пишет о будущем криоэлектроники: «Надо полагать, что на рубеже 1985—1995 голов осуществятся разработка и выпуск многоспектральных крио-электронных приборов… для комплексного изучения Природных ресурсов Земли и планет; …широкое внедрение криоэлектронных приборов, обеспечивающих непосредственный прием через космос многих программ телевидения в любой точке Земли, прием сверхдальнего телевидения в салонах самолетов, поездах и пароходов дальнего следования, в автомобилях. Станет возможным прием в любой точке Земли цветного телевидения, передаваемого как наземными телецентрами, так и телецентрами других объектов; создание эффективных вычислительных машин (супер ЭВМ) с оперативной криогенной памятью, близкой к памяти человеческого мозга; создание крупных орбитальных криогенных вычислительных центров единой системы навигации и прогноза погоды; сооружение криогенных вычислительных центров на Луне и других планетах, а также комплексов, работающих в открытом космическом пространстве».
Чтобы реализовать эту программу, нужна очень много гелия. А есть ли он в достаточном количестве в распоряжении жителей Земли?

ЭЛЕКТРОНИКА В МИРЕ ХОЛОДА

Оказалось, что не только жидкий гелий необычен по своим свойствам. При сверхнизких температурах и в других веществах протекают совершенно необычные физические процессы. Один из них — сверхпроводимость. Сущность процесса заключается в том, что у некоторых металлов, охлажденных до весьма низких температур, полностью исчезает электрическое сопротивление.

Впервые сверхпроводимость была обнаружена X. Камерлинг-Оннесом. Через три года после своих знаменитых опытов по получению жидкого гелия, экспериментируя со ртутью, охлажденной примерно до минус 269 °С, ученый заметил, что при столь низкой температуре сопротивление ртути упало до таких низких значений, что стало практически неизмеряемым.
Позднее сверхпроводимость была обнаружена у многих других металлов. Было установлено, что в кольце из сверхпроводника ток может циркулировать практически вечно, будучи однажды возбужденным электрическим полем.

Естественно, что первое применение сверхпроводимость нашла в электронике. Первый электронный прибор такого типа, названный криотроном, был сконструирован в 1954 году. Действие его было основано на том, что сверхпроводимостью в металле можно управлять, переводя сверхпроводник из состояния с нулевым сопротивлением в нормальное состояние. Это можно сделать при помощи магнитного поля, создаваемого другим сверхпроводником, через который протекает электрический ток и тем самым создает магнитное поле.

Статья на тему Криотрон