тическому созданию целого класса устройств диапазона миллиметровых и субмиллиметровых волн на базе свойств антиферромагпетиков, не применяющихся при обычных условиях вследствие малой величины температуры компенсации магнитных моментов подрешеток. К антиферромагнетикам, отличающимся от обычных ферромагнетиков полным отсутствием магнитного момента, часто относят также и слабые ферромагнетики. Последние обладают малым макроскопическим магнитным моментом релятивистской природы. К особенностям антиферромагнетиков, существенным при разработке конкретных охлаждаемых устройств, можно отнести малую, яо сравнению со случаем ФМР, величину восприимчивости (к ~ 10-3- 10 ) и весьма высокие частоты антиферромагнитного резонанса в отсутствие внешнего магнитного поля (в диапазоне коротких миллиметровых и инфракрасных волн).

Наиболее изученными антиферромагнитными материалами являются: СггОз, имеющий температуру Нееля Tj, = 308° К и ДЯ= 1 100 э; МиРа с Гл. = 68°К и АЯ = 250 э; RbMnFs с 7/ = 54,5° К. Вентиль с вкладышем из СтОз с АЯ=1 500 э при 7=77°К на частоте 175 Ггц имеет отношение обратных потерь к прямым около 20 [4]. Антиферромагнетики можно также использовать и в нелинейных устройствах, так как величина порогового поля, приводящего к нестабильности спиновых волн, составляет единицы эрстед [33].

В заключение приведем некоторые результаты определения влияния многократного охлаждения на параметры ферритовых устройств. Были исследованы цирку-ляторы дециметровых и сантиметровых волн с иттрие-выми, гадолиниевыми и замещенными ферритами, а также вентили сантиметрового диапазона волн. Как при постепенном, так и при быстром охлаждении не было замечено ухудшения характеристик устройств за счет необратимого изменения параметров ферритов. Основное влияние на изменение характеристик устройств оказывает старение магнитов при понижении Т. Резкое охлаждение сказывается в 5-10 раз сильнее (в зависимости от конструкции магнитной системы) на величине уменьшения ноля в зазоре. После 3-5 циклов охлаждения устройство с магнитами марки анко становится, как правило, неработоспособным. Поэтому перед отработ-

кой устройства необходимо многократное остаривание магнитов при рабочей температуре охлаждения.

Если в образце при температуре жидкого гелия большое магнитное поле может быть создано миниатюрным сверхпроводящим электромагнитом, то нри температурах жидкого азота и водорода такое поле от миниатюрных магнитных систем получить весьма трудно. Большой интерес поэтому представляют редкоземельные металлы иттриевой подгруппы, такие, как гадолиний, тербий, диспрозий, гальмий и эрбий [35]. Все эти металлы, кроме гадолиния, только при охлаждении приобретают ферромагнитные свойства, например; диспрозий Dy имеет точку Кюри около 85° К, тербий ТЬ - около 237° К. У гадолиния ферромагнитные свойства проявляются при - 290° К и поэтому его тоже можно отнести к низкотемпературным материалам. При дальнейшем понижении температуры все перечисленные металлы становятся антиферромагнитными. При низких температурах весьма ценным свойством редкоземельных металлов, и в первую очередь диспрозия и тербия, является их высокая удельная магнитная энергия.

Иногда в управляемых ферритовых устройствах существенный эффект получается при использовании электромагнитов с обмоткой из металла высокой чистоты.

Температура охлаждения такого электромагнита должна быть значительно ниже температуры Дебая данного металла.

3. СОЗДАНИЕ ОХЛАЖДАЕМЫХ УСТРОЙСТВ С МАГНИТОЖЕСТКИМИ ФЕРРИТАМИ

Ферритовые устройства и магнитные системы для них во многом определяют не только электрические параметры охлаждаемых СВЧ блоков, но и их эксплуатационные параметры (габариты, вес, потребление энергии, время пуска криогенной установки и т. д.), а также стоимость. На основании проведенных исследований можно утверждать, что в устройствах, охлаждаемых до низких температур, весьма перспективны магнитожесткие ферромагнитные материалы с гексагональной структурой - гексаферриты. Из имеюи1нхся и пастояи1ее время гекса-фсрритои особый интерес представляет 10ксаферрит бл-20---217,5 305 -

рия - ферроксдюр со стехиометрической формулой ВаО-бРеаОз.

Ферроксдюр получил довольно широкое распространение в технике благодаря малому весу, дешевизне и высокой коэрцитивной силе. Он применяется, например, для создания фокусирующих устройств кинескопов, в маломощных электрогенераторах, для создания периодических магнитных фокусирующих полей в ЛБВ, в динамических громкоговорителях, для создания начального намагничивания в сердечнике импульсных трансформаторах и в других устройствах.

Помимо применения в перечисленных системах, а также в циркуляторах и вентилях, где используются только магнитные свойства ферроксдюра, этот материал благодаря своим высоким диэлектрическим свойствам может применяться и в диапазоне СВЧ, например, для создания ферритовых устройств СВЧ без внешних магнитов. В таких устройствах пластина из намагниченного ферроксдюра помещается внутрь волновода рядом с ферритом и, создавая магнитное поле в нем, одновременно служит активирующим диэлектриком. При конструировании ферритовых устройств с ферроксдюром необходимо учитывать характерные особенности таких устройств, обусловленные тем, что диэлектрик одновременно является магнитом, а феррит - магнитопроводом. Поэтому, с одной стороны, пластина из ферроксдюра должна обладать хорошими магнитными характеристиками и создавать в феррите постоянное магнитное поле требуемой величины; с другой стороны, эта пластина должна быть хорошим СВЧ диэлектриком, не вносящим существенных потерь в тракт.

Рассмотрим вкратце магнитные свойства ферроксдю ра. Как известно, при намагничивании этого материала до индукции насыщения (примерно до 4 500 гс) он приобретает свойства постоянного магнита с высокой коэрцитивной силой (порядка 1 500 э) и сравнительно высокой остаточной индукцией (около 2 000 гс). Указанные данные относятся к изотропному ферроксдюру, т. е. не подвергавшемуся прессованию в магнитном поле. Эти свойства объясняются ярко выраженной гексагональной

формой кристалла материала с осями а = 5,9 А и С =

° л. -

= 23,2 Л, при которой константа кристаллографической

анизотропии ферроксдюра достигает 3-10 э/см. Путем прессования изделия из ферроксдюра в магнитном поле получают анизотропный ферроксдюр с повышенными магнитными свойствами. Ниже приводятся свойства некоторых известных изотропных и анизотропных керамических магнитов (табл. 6.1).

ТАБЛИЦА С.1

Наличие таких магнитных свойств приводит к тому, что ферроксдюр, помещенный внутрь волновода, может создать в ферритовой пластине магнитное поле напряженностью в сотни эрстед.

Как уже отмечалось, кроме необходимых магнитных характеристик, ферроксдюр должен иметь минимальные потери на СВЧ, чтобы при установке его в линию (вол-новодную или коаксиальную) затухание линии существенно не возросло. Как известно, потери, вносимые ферромагнетиком в СВЧ тракты, в основном складываются из электрических потерь, связанных с мнимой частью диэлектрической проницаемости е, и магнитных потерь, определяемых мнимыми частями компонентов тензора

магнитной проницаемости Ввиду того что ферроксдюр благодаря своей гексагональной структуре обладает большой кристаллографической анизотропией, область его естественного резонанса лежит вблизи 50 Ггц, а АЯл 10 э. Поэтому тензорный характер магнитной проницаемости ферроксдюра начинает проявляться в миллиметровом диапазоне волн, и на волне короче 1 см удается, например, поворачивать плоскость поляризации за счет гиротропных свойств самого ферроксдюра (при отсутствии внешнего магнитного поля). Следовательно, ферроксдюр может быть применен как диэлектрик с магнитными свойствами на волнах длиннее 1 см. В дециметровом диапазоне, как известно, у ферритов наблюдают-20* - 307 -

СИ потери связанные с доменными резонансамн. У намагниченного ферроксдюра, выполненного по специальной технологии, эти потери отсутствуют ввиду того, что он практически обладает однодоменной структурой.

Таким образом, при использовании ферроксдюра в весьма птроком диапазоне сантиметровых и более длинных волн магнитные потери ь пем ничтожно малы. Что касается электрических потерь, то, как показали эксперименты, эти потери обусловлены почти исключительно электропроводностью ферроксдюра, зависящей от Т.

На рис. 6.12 изображена зависимость потерь Р в волноводе с ферроксдюром от величины удельного сопротивления ферроксдюра, причем размеры его пластин

10° 10 10 10 10°

р, омсм

Рис. 6.12. Зависимость потерь в волловоде с фер-роксдюро.м от удельного сопротив. 1ения р полп-крнстал.шческого материала.

взяты с учетом отсутствия воли высших типов. Как видно из этого рисунка, пластина из ферроксдюра с размерами 96X10X10 и р = !0 ом-см вносит потери менее 0,1 дб и может быть использована в ферритовом СВЧ устройстве. Если потери в фазовращателе 8-сж диапазона волн с феррит-алюминатом и внешним магнитом (без ферроксдюра) составляют примерно 0,3 дб, то при установке внутри волновода ферроксдюра потери остаются примерно те же.

Например, ферритовый фазовращатель с активатором из намагниченного ферроксдюра, имеющего р 10 ом-см, в 8-сж диапазоне вносит в тракт потери меньше 0,2 дб при КБВ = 0,9, обеспечивая при этом необратимый сдвиг фазы 90°. При глубоком охлаждении ферроксдюра р увеличивается по характерному для многих

- зов -

полупроводников экспонеицпальному закону, и потери в ферроксдюре неощутимы.

В результате проведенных экспериментов выяснено, что оптимальными электрическими свойствами в диапазоне СВЧ при хороших магнитных характеристиках обладают образцы с повьпнсниым содержанием ВаО по отношению к стехиометрическоп формуле ВаО-бРегОз (ВаО - 17,3%, Ее20з-82,7%).

В магнитном спектре изотропных образцов ферроксдюра бария со стехиометрически.м составом на частотах менее 1000 Мгщ наблюдаются области дисперсии [31].

Остаточная индукция и намагниченность насыщения 4я/5 ферроксдюра при его охлаждении до температуры жидкого азота медленно возрастают, температурный коэффициент остаточной индукции равен 0,2% на Г К. Такая зависимость характерна для материалов с гексагональной структурой, состоящих из частиц, ориентированных беспорядочно.

Как известно [2], коэрцитивная сила компактного материала, состоящего из ориентированных беспорядочно однодоменных сферических частиц, выражается расчетной формулой

/Яс = 0,96,

где / - намагниченность насыщения;

К - константа кристаллографической анизотропии, возрастающая с охлаждением.

Величина коэрцитивной силы /Я<. феррита бария получается больиюй благодаря тому, что частицы ферроксдюра имеют форму, отличную от сферической. Экспериментальные исследования показали, что форма частиц ферроксдюра, пригодного для использования в диапазоне СВЧ, напоминает форму пластин с осью легкого намагничивания, перпендикулярной плоскости пластин.

Коэрцитивная сила с учетом размагничивающего поля таких частиц может быть определена по формуле [3]

/Яе = 0,48(-47г/,.

Анализ этой формулы с учетом того, что величина А изменяется в области низких температур, показывает,

- 309 -