книги из ГПНТБ / Диденко А.Н. Сверхпроводящие волноводы и резонаторы

электронных и протонных синхротронов на большие энергии. Увеличение к. п. д. ускоряющей системы позво­ ляет повысить максимальную энергию электронов. Типичным является корнельсшй электронный синхро­ трон на 10 ГэВ. В нем потери мощности в стенках резо­ наторов в 6 раз превышают потери на синхротрониое излучение. Поскольку потерн на излучение l^W~<y"' . то значит, что при использовании сверхпроводящих резо­ наторов, когда потери в стенках будут малы по сравне­

высоких энергии, что позволяет работать с растянутыми во времени пучками вторичных частиц и является очень важным на современном этапе развития физики высо­ ких энергий.

Обычно сепаратор состоит из двух или трех волноводных секций, разделенных между собой пространства­ ми дрейфа. Возбуждаемые в волноводах волны типа ЕНц имеют большую поперечную составляющую элек­ трического поля. Если размеры волновода подобрать так, чтобы фазовая скорость волн Е Н И равнялась скорости движения частиц одного сорта, то, подбирая размеры сепараторов таким образом, чтобы смещение по фазе

[137—139]. Сепаратор предназначен для разделения

в сверхпроводниках уменьшаются с увеличением длины волны, найдено, что АО П т = 24 см. Сепаратор представ­ ляет собой 2 секции длиной по 3 м каждая, расположен­ ные на расстоянии 33 м друг от друга. Ненагруженная

190

Это означает, что такие сепараторы позволят сепариро­ вать пучки длиной 100 мс и больше.

6.4. Использование сверхпроводящих резонаторов для определения свойств полупроводников и диэлектриков

Сверхпроводящие резонаторы могут быть использо­ ваны также в качестве высокочувствительных систем для изучения небольших изменений свойств полупровод­ никовых и диэлектрических материалов, обусловленных различными внешними воздействиями (143, 144]. Это объясняется следующим. Диэлектрические и полупро­ водниковые материалы, помещенные в резонатор, вызы­ вают изменение резонансной частоты и добротности. Чрезвычайно низкое поверхностное сопротивление сверх­ проводника, как уже отмечалось, приводит к тому, что такие резонансные полости имеют очень высокие доб­ ротности и очень узкую резонансную кривую. Поэтому, используя сверхпроводящие резонаторы, можно опреде­ лять даже малые изменения частоты и добротности. Более того, если диэлектрическая проницаемость полу­ проводников и диэлектриков изменяется под воздейст­ вием каких-либо факторов, то по изменению добротно­ сти во времени можно определить временное изменение свойств таких материалов.

Достоинством измерения свойств диэлектриков и по­ лупроводников с помощью сверхпроводящих резонато­ ров является высокая точность определения различных величин и возможность измерения свойств не только кристаллических, но и порошкообразных образцов, по­ скольку при таком способе не нужно заботиться об изготовлении хороших омических контактов.

Коротко напомним основные положения влияния диэлектрического образца на свойства резонатора. Если полупроводниковый или диэлектрический образец с ди­ электрической постоянной еое = ео(е'—te") вносится в ре­ зонатор, то смещение частоты этого резонатора можег

191

быть определено по формуле [143)

Отношение интегралов характеризует меру энергии, за­ пасенную в образце. Обычно она называется фактором заполнения и обозначается через С7<д>. Если, как обычно, e'>s", то

Эта формула позволяет определить не только е ди­ электрика, но и его изменение под воздействием различ­ ных факторов. Если сначала диэлектрическая постоян­ ная равнялась е/, а затем стала гг, то вызванное этим изменение резонансной частоты может быть определено по формуле

Если изменяется г", то это приводит к изменению поглощенной мощности, а значит, и к изменению доброт­ ности резонатора. В [145] было показано, что с помощью сверхпроводящих резонаторов могут быть исследованы диэлектрические потери, для которых tg о д « Ю - 9 , и из­ мерены дефекты плотности порядка одного дефекта на 1010 атомов.

Сверхпроводящие резонаторы могут быть использо­ ваны, в частности, для измерения фотодиэлектрического эффекта в полупроводниках. Оказывается [136, 137], что перераспределение свободных и связанных носителей между уровнями в полупроводнике под действием внешнего электромагнитного поля приводит к измене­ нию е, и поэтому может быть изучено с помощью сверх­ проводящих резонаторов. Если к какому-то уровню энер­

192

tgод для жидкого гелия, кремнезема, тефлона и показа­

дом потери в NaCl и KCl при 40 М Г ц < / < 1000 МГц и 1,8 К < 7 ' < 4 , 2 К. В качестве резонансной структуры использовался спиральный резонатор, имеющий боль­ шую широкополосность.

194

Подробное исследование-различных полупроводников показало, что их диэлектрическая постоянная изменяет­ ся не только под действием света, но и под действием ядерного излучения [144]. Это может быть использовано для конструирования детекторов и дозиметров ядерного излучения. На самом деле, если в схеме, приведенной на рис. 6.6, полупроводник, помещенный в резонатор, будет облучаться каким-нибудь источником ядерного излуче­ ния, то атомы будут ионизоваться и в полупроводнике создадутся дополнительные носители тока. Это приве­ дет к изменению частоты и добротности используемого резонатора и позволит определить мощность ядерного излучения.

Измерения были проведены с помощью свинцового резонатора на частоте 380 МГц с использованием кри­ сталла сульфида кадмия CdS, иа который падало излу­ чение от радиоактивного источника С1 4 с мощностью дозы 1 мкКи (микрокюри). По результатам эксперимен-

Л/,кГц

О W a ВО t,MUh О 20 à ЬО SO' і.тн

Рис. 6.7. Зависимость частоты резонатора от времени облучения при

тов построен рис. 6.7,а. Из рисунка видно, что в этом

источника в резонаторе, т. е. временем облучения. На­ клон прямой равен 4 кГц/мин. Если использовать источ­ ник большей мощности, то, начиная с какого-то времени, зависимость перестает быть линейной. На рис. 6.7,6 изображена зависимость сдвига частоты от времени при использовании источника С1 4 с мощностью дозы излу­ чения 100 мкКи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Техника сверхпроводящих волноводов и резонаторов вступила во второе десятилетие своего развития. Про­ шло 10 лет с того момента, как группой ученых Стэнфордского университета было предложено использовать сверхпроводники в качестве высокочастотных ускоряю­ щих систем ускорителей для улучшения параметров ускоренных частиц [172]. Первые работы были выполне­ ны с резонаторами, изготовленными из свинца. Интерес к свинцу объяснялся тем, что этот металл, во-первых, •имеет сравнительно высокую критическую температуру и, во-вторых, может быть просто получен с такой чисто­ той, которая необходима для создания высокодобротных систем. Однако после выяснилось, что низкие критиче­ ские магнитные поля этого сверхпроводника не позво­ ляют конструировать на его основе сверхпроводящие системы, предназначенные для работы на высоком уров­ не мощности. Поэтому, начиная с 1967 года, все большее внимание уделяется созданию сверхпроводящих волно­ водов и резонаторов из ниобия. К настоящему времени накопилось достаточно экспериментальных фактов, под­ тверждающих перспективность именно этого сверхпро­ водника.

Прошедшее десятилетие было десятилетием разра­ ботки различных технологических приемов, позволяю­ щих получить сверхпроводники с малым поверхностным сопротивлением в диапазоне СВЧ и сохранить высокую чистоту поверхностного слоя в течение длительного вре­ мени. Проведенная работа показала, что, применяя опе­ рации химической полировки, электрополировки, высоко­ температурного отжига в вакууме, можно получить резо­ наторы, добротность которых в диапазоне частот 1 — 10 ГГц равна 10і 0 —10й . Для того чтобы эти добротно­ сти не изменялись в течение длительного времени, необ­ ходимо хранить сверхпроводящие СВЧ системы в высо-

197

ком вакууме или очищенные поверхности подвергать анодированию.

В настоящее время разработаны достаточно эффек­ тивные технологические операции, позволяющие как по­ лучать сверхчистые сверхпроводники, так и сохранять чистоту их поверхностен при длительной эксплуатации. Этим объясняется тот факт, что в последние годы во многих лабораториях работы по сверхпроводящим вол­ новодам и резонаторам приобрели широкий размах.

Так, в лаборатории высоких энергий Стэнфордского университета в настоящее время ведутся работы по сооружению сверхпроводящего электронного линейного ускорителя длиной 150 м. Предполагалось, что на этом ускорителе будет получена энергия 2 ГэВ [132]. Сейчас считают, что при однократном прохождении энергия электронов на выходе ускорителя будет 1 ГэВ. Однако уже подготовлен туннель заворачивания пучка с целью его последующего ускорения в тон же ускоряющей структуре. При этом энергия частиц может быть увели­ чена до 2 ГэВ. В качестве рабочей частоты выбрана /=1,3 ГГц. Ускоряющие секции представляют собой отрезки бипериоднческих структур длиной 0,8 м, состоя­ щие из пяти полных, двух укороченных ячеек и двух концевых полуячеек (рис. 6.3). Размеры концевых ячеек выбраны таким образом, чтобы длина укороченной ячей­ ки и концевой полуячейки равнялась длине полной ячей­ ки. Из таких ячеек с помощью индиевых прокладок собирают или секцию предускорителя длиной 2,4 м или секции самого ускорителя длиной 5,6 м, которые разме­ щают затем в шестиметровых гелиевых резервуарах.

Используемый материал — ниобий. Наиболее сущест­ венной примесью является тантал. Количество основных примесей не превышает 100 ррм (частей на миллион). Что касается тантала, то обычно его примесь составляет

5 мм методом гидроформирования изготавливают полу­ ячейки. Затем их обрабатывают иа токарном станке и сваривают электронным пучком (к настоящему времени освоена сварка внутри секций, и поэтому полуячейки

198

сваривают не только снаружи, но и изнутри). Для свар­ ки электронным пучком используются источники высокогонапряжения (более 50 кВ).

После этого секции подвергают химической полиров­

Затем снова химически полируют в растворе, состоящем

достаточно хорошие результаты можно получить, если после высокотемпературного отжига секции хранить

ввакууме.

ВАргонской национальной лаборатории (США) при разработке спиральных замедляющих систем из ниобия используется несколько другая технология '[160, 161]. Сначала поверхность ниобия подвергают химической полировке, затем производят вакуумный отжиг, электро­ полировку и оксидирование. Такая последовательность позволяет получить перед оксидированием более глад­ кую поверхность ниобия и, таким образом, в конечном счете уменьшить толщину защитного слоя.

Фирма «Сименс» (ФРГ) продолжает совершенство­ вать технологию нанесения на ниобий защитных пленок анодированием. Именно эта фирма предложила аноди­ рование как метод защиты поверхности сверхпроводя­ щих резонаторов при их хранении в атмосфере воздуха при нормальных температурах. К настоящему времени сотрудниками фирмы установлено [173], что наилучшие результаты могут быть получены, если использовать сначала электрополировку, затем анодирование, а потом оксиполирование, т. е. попеременное анодирование и растворение образовавшейся пленки. Это позволяет полу­ чить хорошие результаты и восстанавливать защитный слой при его разрушении.

Более совершенная технология используется при создании отклоняющих секций сепаратора протонного синхротрона на 30 ГэВ в Женеве [174]. Ячейки, из кото­ рых собирают волнозоды, изготавливают из кусков нио­ бия, затем сваривают по внешнему диаметру. Длина

199