|
| |
|
Главная
>
Радитехнология низких температур радитехнология низких температур Фундаментальные исследования явлений, происходящих в твердом теле при низких температурах, открыли новые возможности перед радиоэлектроникой и привели к появлению радиотехники низких температур. В значительной степени этому способствовали достижения криогенной техники, позволившие разработать малогабаритные экономичные холодильные установки. Расширение работ по освоению космоса, где проблема поддержания заданного уровня низких температур может быть решена по-новому, усилили практическое значение радиотехники низких температур, которой посвящена данная книга. За последние годы накопился настолько обширный материал по радиотехнике низких температур, что охватить его В одной книге невозможно. Поэтому монография СОСТОИТ из двух книг, каждая из которых, по существу, является самостоятельной. В первой книге изложены некоторые общие вопросы радиотехники низких температур, вопросы теории и новые принципы создания широкополосных приемных систем с предельно возможными чувствительностью и избирательностью, а также дана теория и расчет основных охлаждаемых элементов этих систем (многорезона-торных усилителей-преселекторов и фильтров, преобразователей и усилителей, ферритовых, полупроводниковых и других электронных эле.мснтог, и устройств). R связи с тем, что для радиоинженеров и снепиалистоп новки станут такой же неотъемлемой частью наземных и бортовых радиостанций, как источники питания. По-видимому, в космических условиях, где поддержание низких температур в течение длительного времени является технически осуществимым, охлаждаемые радиокомплексы завоюют себе также прочное место. До последних дней основные доводы против широкого применения глубокого охлаждения в радиоэлектронике опирались на недостаточно высокие для серийной аппаратуры эксплуатационные параметры криогенных установок, и в первую очередь их большие габариты, вес и низкий к. п. д. Действительно, физиков и инженеров-разработчиков НОВОЙ техники, широко применяющих криогенные жидкости, не смущали эти недостатки, так как задачи у них были другие. Это и наложило свой отпечаток на облик многих криогенных установок. Нужно заметить, что совсем недавно лампы бегущей волны (ЛБВ) С электромагнитной фокусировкой по габаритам были больше МНОГИХ компрессоров, пригодных для криогенной техники, и потребляли электроэнергии не меньше. Однако массовое внедрение ЛБВ в радиоаппаратуру изменило их до неузнаваемости и одновременно привело к улучшению электрических параметров этих приборов. Несомненно, что аналогичное положение получится и С криогенными установками. В зависимости от конкретных требований к радиоаппаратуре наметилось несколько видов выполнения блоков, отличающихся уровнем охлаждения. Более распространенными являются устройства уровня гелиевых температур и азотных температур . В последнем случае вся криогенная установка вместе с охлаждаемым радиоблоком может быть особенно компактной и экономичной. В заключение необходимо отметить, что развитие радиотехники низких температур ни в коей мере не означает, что нужно предавать забвению сложившиеся в радиотехнике (особенно В технике радиоприема на СВЧ) методы и принципы конструирования аппаратуры. Охлаждаемые электронные элементы и устройства должны дополнять обычную неохлаждаемую радиоаппаратуру. СВОЙСТВА ТВЕРДОГО ТЕЛА ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ 1. НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ЗОННОЙ ТЕОРИИ Создание охлажденных электронных элементов и радиоустройств невозможно без знания свойств твердого тела (полупроводников, металлов, диэлектриков), проявляющихся при низких температурах н обусловленных прежде всего квантовыми явлениями в веществе. Поэтому рассмотрение отдельных вопросов радиотехники низких температур начнем с краткого описания этих свойств, привлекая, там где это возможно, классические представления. Прежде всего напомним о поведении электронов в изолированных атомах, а затем в группах атомов, образующих твердый кристалл. Как известно, атом любого элемента состоит из положительно заряженного ядра и системы электронных оболочек, расположенных вокруг ядра с постепенно возрастающими радиусами. Первая оболочка с двумя электронами, занимающими самый низкий энергетический уровень, называется/(-оболочкой, вторая L-оболочкой, третья М-оболочкон и т. д. 2-2175 - 17 - Оболочки делятся па подоболочки, например: Is, 2s, 2р и Т. д. в соответствии со спек!роскопическпм обозначением энергетических уровней. Это деление обусловлено принципом Паули, согласно которому в атоме в определенном стационарном состоянии может находиться е более ОДНОГО электрона. Энергия связи электрона с ядром определяется номером оболочки и зависит от расстояния между ядром и электроном, а также от формы оболочки. В отсутствие внешних полей энергия электрона не зависит от ориентации его орбиты и имеет одну и ту же величину для одной подоболочки. При воздействии на атом внешнего магнитного или электрического ноля энергия электронов одной и той же подоболочки, но с неодинаково ориентированными орбитами меняется по-разному. Следовательно, при отсутствии внешних полей уровни энергии орбит электрона, принадлежащих одной подобо-лочке, совпадают; при наличии внешних полей они рас-И1,епляются, изменяя энергетический спектр электрона в атоме. Чем дальше от ядра расположена электронная орбита, тем большей потенциальной энергией обладают находящиеся на ней электроны. Для того чтобы перевести электрон на более удаленную орбиту или оторвать его от атома ( ионизировать атом), необходимо сообщить ему дополнительную энергию. Кинетическая энергия движения электрона по орбите убывает по мере перехода к более удаленным орбитам, так как сила притяжения ядра уменьшается. Полная энергия стационарного состояния атома с электроном, находящимся на я-й орбите, по теории Бора для атома водорода в первом приближении может быть выражена соотношением (1.1) где G = Mc - произведение суммарной массы электрона и ядра данного атома М на с; с - скорость света; т - масса электрона; е - заряд электрона; Z - порядковый номер элемента в таблице Менделеева; /г = б,624 Ю- эрг се/с - постоянная Планка; ti-главное квантовое число (порядковый номер орбиты). Ввиду того что величина G всегда больше, чем второй член формулы (1.1), а величина п принимает только целочисленные значения, энергия электрона положительна и возрастает скачками с увеличением порядкового номера орбиты. Электроны, принадлежащие наружной оболочке атома и наиболее слабо связанные с ядром, играют основную роль во взаимодействии атома с окружающей средой. С их помощью образуются химические соединения, устанавливаются валентные связи между атомами, входящими в молекулу, поэтому их называют валентными электронами. В атоме наряду с заполненными внутренними оболочками могут быть и незаполненные оболочки, а число валентных электронов не может быть больше семи. Наружная оболочка из восьми электронов устойчива и не образует химических связей. Таким образом, предельная валентность элемента определяется числом электронов внешней незаполненной оболочки. При образовании ионного соединения элемент увеличивает число этих электронов до полного заполнения оболочки или отдает эти электроны. Благодаря валентным электронам, которые иногда называют оптическими, происходит поглощение или испускание кванта электромагнитной энергии (чаще всего в диапазоне световых длин волн). Остальные электроны, расположенные глубоко в энергетической потенциальной яме , не могут участвовать в оптических, тепловых, химических и других процессах, возбуждаемых энергетическими воздействиями в несколько электронвольт. При сближении атомов, как это имеет место в твердом теле, внешние электронные оболочки атомов соприкасаются и перекрываются. Электроны уже не принадлежат одному атому и могут свободно перемещаться в твердом теле, переходя с электронной орбиты одного атома с данной энергией на орбиту другого атома с этой же энергией. Это, конечно, не приводит к появлению электрического тока при замыкании внешней по отношению к данному телу цепи, так как электроны остаютс5? 2* - 19 -
|
