электронной техники, создающих элементы и устройства широкого применения, температура жидкого азота более привычна, чем температура жидкого гелия, в экспериментальную часть книги, в основном, включены результаты, полученные при охлаждении до указанной температуры. Соответственно этому построена и первая глава, в которую не вошли многие явления ,в твердом теле, наиболее характерные для гелиевых температур.

Вторая книга будет посвящена теории, расчету и принципам конструирования криогенных электронных элементов и устройств (генераторов, модуляторов, управляемых элементов и переключателей, колебательных систем), основанных не только на контактных, но и на объемных и других эффектах в твердом теле, а также на явлении сверхпроводимости. Основное внимание при этом будет уделено устройствам, работающим при температуре жидкого гелия.

К задачам данной книги можно отнести восполнение пробела в имеющейся литературе, оказание помощи специалистам, работающим в области радиотехники низких температур, и привлечение внимания ученых и инженеров к этой новой перспективной отрасли радиоэлектроники. Последнее, безусловно, приведет к появлению новых ценных приборов и скажется на расширении границ применения охлажденных радиоустройств. Следует отметить, что успешная работа в данном направлении возможна лишь при совместных исследованиях радиоинженеров, физиков и специалистов криогенной техники, так как при создании криогенных электронных элементов и охлаждаемой радиоаппаратуры теоретические методы, принципы конструирования и техника эксперимента всех этих специальностей сливаются воедино. Этим и обусловлено построение всей книги. При изложении материала основное внимание уделяется краткому описанию физических явлений, происходящих при глубоком охлаждении, и разработке теории и методов расчета устройств, 1в которых реализуются эти явления.

Кроме литературы, ссылки на которую имеются в тексте, в конце каждой главы приведена библиография по отдельным направлениям, необходимая для более детального изучения. Книга может быть полезной как радиоинженерам, приступающим к разработке комплексных охлаждаемых радиосистем, так и специалистам,

работающим по созданию отдельных охлажденных устройств.

Книга написана весьма сжато и не претендует на полноту охвата всех вопросов радиотехники низких температур, которым посвящено большое число статей в научных журналах. Ее содержание основано на работах автора, проведенных в 1957-1964 гг., первые из которых по исследованию температурных свойств СВЧ устройств с гексаферритом бария и многорезонаторных фильтров относятся к 1957-1958 гг.

Исключительно большая роль в появлении этой монографии принадлежит лауреату Нобелевской премии А. М. Прохорову, советы которого стимулировали написание книги и нашли отражение в соответствующих ее разделах. Автор считает своим приятным долгом выразить признательность А. И. Шокину за внимание к этой работе и поддержку.

Много полезного принесли автору совместные исследования, проведенные с Ю. П. Пименовым и Б. М. Лебедем и совместные обсуждения ряда новых вопросов с Г. Т. Шитиковым, которым автор искренне благодарен.

Автор также признателен товарищам по работе, способствовавшим практическому созданию ряда охлажденных элементов и устройств, описанных в монографии.

Существенная помощь по улучшению книги была оказана автору Е. М. Гершензоном и Н. В. Карловым.

Параграф 2 гл. 3 написан А. С. Берлиным.

Все замечания по данной книге будут приняты с благодарностью.

г. jMocKsa, январь 1965 г. Алфеев В. Н.

ВВЕДЕНИЕ

Непрерывное совершенствование технологии производства радиоматериалов и принципов конструирования аппаратуры привело к тому, что параметры значительного числа радиоустройств, предназначенных для работы в обычном интервале температур, приблизились к теоретически достижимому пределу. Это означает, что возможности, определяемые свойствами веществ, из которых изготовлены компоненты радиоаппаратуры, при комнатных температурах во многом уже исчерпаны.

В то же время развитие спутниковой, тропосферной, космической связи и глобального вещания в диапазоне СВЧ, радиолокации, радиоастрономии, радиоспектроскопии потребовало создания радиоустройств с такими характеристиками, получить которые сложившимися ранее методами крайне затруднительно или вообще невозможно.

Новые перспективы открылись перед радиотехникой благодаря исследованию явлений, происходящих в веществах при глубоком охлаждении, и разработке криогенных систем, обеспечивающих заданные уровни низких температур. Как известно, глубокое охлаждение, т. е. уменьшение температуры ниже 100° К, может быть достигнуто за счет помещения вещества в криогенные жидкости, полученные при ожижении газов: кислорода, азота, неона, водорода, гелия. Температуры кипения этих жидкостей при атмосферном давлении равны 90,2° К (кислород); 77,3° К (азот); 27,Г К (неон); 20,39° К (водород); 4,216° К (гелий).

При понижении температуры происходят не только изменения ряда свойств веществ, но и начинают сказываться такие эффекты, которые при обычных температурах, близких к ЗОС К, проявляются весьма слабо. Кроме того, суп[ествует mhoio весьма ценных явлений, возникающих только при низких температурах и поэтому не нашедших применения в неохлаждаемой аппаратуре.

В физике интерес к низким температурам возник уже давно. Естественно, что при низких температурах, когда тепловое движение микрочастиц уже не может замаскировать различные эффекты, создаются уникальные условия для проведения тонких физических экспериментов и исследований. В основном это относится к эффектам, связанным с энергией взаимодействия, например спинорбитального, обменного взаимодействия, энергия которых достаточно мала по сравнению с величиной кТ при комнатной температуре. Одно из наиболее значительных явлений физики - сверхпроводимость- было открыто в 1911 г. Камерлинг-Оннесом всего лишь через три года после того, как ему удалось ожижить инертный газ гел1ий, обладающий самой низкой температурой кипения при атмосферном давлении. В последующие годы работы в области низких температур приобретали все больший размах. Исследование жидкого гелия и открытие Капицей П. Л. в 1938 г. явления сверхтекучести, исследование магнетизма и открытие антиферромагнетизма, изучение теплоемкости, явлений переноса и других явлений в различных веществах привели к выделению физики низких температур в самостоятельную отрасль знаний.

Основную роль при низких температурах, где концепции классической физики, как правило, не применимы, играют законы, связанные с квантовыми состояниями энергии в твердом теле. Во многом это обусловлено тем, что глубокое охлаждение приводит к уменьшению энтропии ( степени беспорядка ) вещества. При этом в магнитных материалах, металлах, диэлектриках и полупроводниках проявляются разнообразные свойства, имеющие большие перспективы их технического применения.

Например, при охлаждении некоторые материалы становятся антиферромагнитными, а у ряда ферромагнетиков, в том числе у многих ферритов, увеличивается

намагниченность, У вещестн, обнару/кнваюиих парамагнитные свойства, возникает спонтанная намагниченность. Если к тому же учесть, что при низких температурах существует реальная возможность использования MaiTiHTHbix материалов с низкими значениями температуры Кюри, а также с точками комиепсацни магнитных моментов подрешеток, то совершенно очевидно, что использование низких температур намного расширяет возможности магнитных материалов и диапазон их применений. Последнее относится не только к магнитным материалам, но и к другим веществам на основе твердого тела.

Охлаждение многих чистых металлов ниже температуры Дебая приводит к тому, что обычная температурная зависимость удельного сопротивления нару шается и приобретает более резкий характер, связанный с уменьшением преобладающего рассеяния электронов на фононах. В ряде металлов при очень низких температурах наступает сверхпроводимость. Теплоемкость и, что особенно важно, коэффициент линейного расширения веществ при охлаждении значительно уменьшаются, а теплопроводность разных веществ претерпевает различные изменения. Свойства большинства диэлектриков, в том числе предназначенных для использования в диапазоне СВЧ, при глубоком охлаждении улучшаются.

Даже из столь краткого рассмотрения можно понять, почему явления, возникающие при низких температурах, уже давно привлекают внимание не толькофизиков, по и ученых, работающих в области радиоэлектроники. Например, первые же попытки использовать одно из этих явлений -сверхпроводимость -для решения радиотехнических задач привели к появлению малогабаритных экономичных быстродействующих элементов памяти (криотронов и криосаров); высокоэффективных линий задержки; колебательных контуров и резонаторов с весьма высокой добротностью; сверхпроводящих болометров; экономичных электромагнитов с большой величиной поля в зазоре; элементов, основанных на туннельном эффекте в сверхпроводниках, и т. д.

Однако известно, что замкнутые радиоэлектронные системы не могут существовать без активных элементов, обеспечивающих генерацию или усиление в заданном

диапазоне частот, вплоть до самых высоких (СВЧ). В то же время совсем недавно считалось, что транзисторы и полупроводниковые диоды, так же как и радиолампы, при глубоком охлаждении перестают функционировать. Поэтому начало радиотехники низких температур, как таковой, было положено разработкой первых действующих охлаждаемых активных радиоприборов; квантовых усилителей и генераторов электромагнитного излучения - мазеров и лазеров. Фундаментальные исследования в области квантовой радиофизики, проведенные лауреатами Нобелевской премии Басовым Н. Г., Прохоровым .4. М., Таунсом Ч., а также работы многих советских и зарубежных ученых знаменовали собой решение проблемы высокочувствительного усиления в коротковолновой части диапазона СВЧ и проблемы генерации стабильных монохроматических колебаний СВЧ.

Высокая чувствительность квантовых усилителей объясняется тем, что они, в отличие от обычных усилителей, могут работать при очень низких температурах (даже при температуре менее 4,2° К) и не имеют избыточных шумов типа дробовых, характерных для электронных и транзисторных схем. С понижением температуры среды, окружающей усилитель, его шумы уменьшаются, а усиление увеличивается.

Создание квантовых приборов дало мощный толчок всей радиотехнике низких температур. Криогенные установки, ранее отпугивавшие своей громоздкостью, теперь, в связи с внедрением квантовых приборов и достижениями криогенной техники, становятся неотъемлемой частью аппаратуры. Поэтому во многих случаях вместо того, чтобы любой ценой избавиться от применения низких температур в радиоаппаратуре, как это было раньше, изыскиваются пути эффективного использовагшя тех преимуществ, которые может дать охлаждение в дополнение к высокой чувствительности входного усилителя.

Успехи квантовой радиофизики, физики твердого тела и физики низких температур раскрыли новые возможности использования свойств твердого тела при глубоком охлаждении, позволив приступить к разработке различных охлаждаемых радиоустройств и включить в арсенал активных элементов охлажденные полупроводниковые приборы. Большие перспективы открылись в связи с исследованиями бинарных интерметаллических