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

волноводной секции определяется тем, что имеющаяся печь для высокотемпературного отжига позволяет отжи­ гать изделия диаметром 20 и длиной 60 см. Температу­ ра отжига2123 К, давление примерно Ю - 7 Па ( Ю - 9 т о р ) . Перед отжигом поверхность сначала подвергают элек­ трополировке. После отжига производят вторичную полировку, затем анодирование и вторичный отжиг [175]. Анодирование перед вторичным отжигом было предло­ жено П. Вильсоном [176]. При такой технологии изготов­ ления в системе практически не наблюдался высокоча­ стотный пробой.

Подробные исследования, проведенные авторами ра­ боты [176], показали, что не все газы в одинаковой сте­ пени проникают в глубь чистого ниобия. Эксперименты проводились с различными газами. Объем, в котором находился сверхпроводящий резонатор, заполнялся при комнатной температуре тем или иным газом. Давление составляло 1/4 атмосферного давления. Резонатор нахо­ дился в этом объеме в течение часа. Измерения пока­ зали, что сухой кислород, сухой водород, окись углерода

резонатора в атмосфере воздуха приводит к сильному уменьшению добротности, в первую очередь, из-за про­ никновения двуокиси углерода из воздуха в сверхпрово­ дящий ниобий. Поэтому анодирование поверхности нио­ бия перед высокотемпературным отжигом в вакууме приводит к предотвращению проникновения двуокиси углерода во время отжига и, таким образом, позволяет получить лучшие результаты.

Из изложенного видно, что к настоящему времени достигнуты очень большие успехи в технологии получе­ ния сверхпроводящих резонаторов с добротностями порядка 1011 и сохранения высоких свойств резонаторов в течение длительного времени. Именно этим объясняет­ ся то, что в последнее время сверхпроводящие волново­ ды и резонаторы все чаще используются в различных

200

радиотехнических и электрофизических установках, работающих как при высоком, так и при низком уровнях мощности. В частности, именно этим объясняется тот энтузиазм, с которым идет сооружение сверхпроводяще­ го линейного ускорителя иа 1 ГэВ в лаборатории высо­ ких энергий Стэнфордского университета. В этом ускори­ теле при использовании сверхпроводящей ускоряющей системы надеются получить электронный ток 100 мкА

с энергетическим разбросом Д£/<§ = 10- 4 . К настоящему времени запущена инжекторная секция этого ускорителя [177].

Измерения с инжекторной секцией были проведены при факторе длительности пучка 10 и 100%. Минималь­ ный разброс по энергии 3,8 кэВ был достигнут при токе 25 мкА. При токе 250 мкА он возрастал до 4,2 кэВ. При этом фазовая протяженность пучка равнялась 2,8 и 3,1°

получить при энергии 8,5 МэВ и токе 25 мкА энергети­

гии 1 ГэВ, но и при энергиях ниже 200 МэВ.

Когда речь идет об использовании сверхпроводящих резонаторов на высоком уровне мощности, самым важ­

женности зависит от частоты. Как уже отмечалось рань­ ше, в сверхпроводящих резонаторах впервые было заме­ чено, что максимальные напряженности ВЧ полей раз­

201

уровне мощности потери в основном определяются поте­ рями во флюксоидах. При определенных соотношениях между массой флюксоида, вязкостью, силой Пининга и частотой приложенного поля критическая величина маг­ нитного поля будет пропорциональна частоте. Именно этим М. Рабинович объяснял тот факт, что при более высоких частотах можно получить высокочастотные коле­ бания большей напряженности. Однако пока такая точ­ ка зрения не является общепринятой. Так, П. Вильсон считает, что все результаты могут быть объяснены так­ же на основе статистической теории. Объясняется это тем, что число дефектов, вблизи которых происходит переход сверхпроводника в нормальное состояние, зави­

£иакс = 35 МВ/м при / = 2,85 ГГц и £ м а „ с = 23 МВ/м при /=2,85 ГГц в ускоряющей секции из 7 ячеек. На более высоких частотах получены еще более высокие напря­ женности порядка 70 МВ/м).

Интересно отметить, что во всех случаях наиболее высокие напряженности поля получались тогда, когда использовалась методика изготовления резонаторов, предложенная П. Вильсоном. В соответствие с этой методикой резонаторы сначала подвергались анодиро­ ванию в растворе NH3 , затем очищались в горячей дистиллированной воде и метаноле, а затем отжигались в течение 10 ч при 7=2273 К и р~10 - 6 — 10~ 7 Па ( К Н —

10~9 мм рт. C T . ] L .

Успехи в технологии изготовления сверхпроводящих резонаторов объясняют тот факт, что в последнее время широко обсуждается вопрос об использовании таких систем, рассчитанных на работу как при высоких, так и

202

при низких напряжениях. Говоря об использовании сверхпроводящих СВЧ систем в установках с высокими напряжениями, следует в первую очередь иметь в виду ускорители и сепараторы заряженных частиц. Примене­ ние сверхпроводящих СВЧ систем в этих установках позволит увеличить длительность импульсов излучения и общее число ускоренных частиц и уменьшить энерге­ тический разброс на выходе ускорителя.

Интересные возможности открываются и при исполь­ зовании сверхпроводящих волноводов и резонаторов в установках с низкими полями. Так, в {179] сообщается, что с помощью сверхпроводящих резонаторов, работаю­ щих на эффекте Ганна, удалось получить стабильность 1,2- 10~)3 в течение 10 с. Предполагается, что она может быть повышена до 10~15. Эти высокостабильные генера­ торы могут найти широкое применение. Например, точ­ ность новых атомных цезиевых часов, разрабатываемых Национальным бюро стандартов США, определяется шумами кварцевого генератора, возбуждаемого цезиевым пучком. Если стабильность генераторов со сверхпро­ водящими резонаторами будет еще улучшена, то они могут заменить кварцевый кристалл. Такие генераторы могут быть использованы для определения влияния кри­ сталлической решетки на термическое расширение нио­ бия [179] и для измерения затухания в сверхтекучем гелии [180]. Предполагается, что генераторы, стабилизи­ рованные сверхпроводящими резонаторами, могут при­ меняться и в качестве детекторов гравитационного излу­ чения [181].

Высокодобротные резонаторы могут быть использо­ ваны также для измерения электрофизических характе­ ристик диэлектриков и полупроводников, о чем подробно было сказано в предыдущей главе.

Что касается сверхпроводящих линий передачи и линий задержки, то они позволяют передавать без иска­ жения на большие расстояния импульсы различной фор­ мы, вплоть до импульсов наносекундной длительности. В последнее время обсуждается также вопрос о приме­ нении для этих целей наряду с коаксиальными линиями передачи и полосковых линий передачи и линий задерж­ ки [182, 183].

Таким образом, из изложенного видно, что к настоя­ щему времени решены основные технологические труд­ ности, связанные с изготовлением сверхпроводящих СВЧ

203

П р и л о ж е н и е I

ВЫРАЖЕНИЯ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОГО ИМПЕДАНСА СВЕРХПРОВОДНИКОВ В РАЗЛИЧНЫХ ЧАСТОТНЫХ ДИАПАЗОНАХ

Как уже отмечалось во второй главе, выражения для глубины проникновения поля в сверхпроводник и для поверхностного импедан­ са могут быть определены из формул (2.7) п (2.8). В эти формулы входит функция /7 (cü), значение которой сильно зависит от соотноше­ ния между величинами ІгвТ и Д . Запишем выражения для функ­ ции Т'(ш), справедливые для той или иной области изменения пара­ метров [14, 15], а затем, яопользуя (2.8), получим формулы для поверхностного импеданса при разных соотношениях между ftco, kßT и іД. Наиболее 'подробно исследованы выражения функций F((Ü) для

шшпардовских сверхпроводников, т. е. для сверхпроводников I рода.

В [14, 15] было показано, что если 7=0, то для сверхпроводни­ ков I рода:

Таким образом, мнимая часть Т'(со) отличается от нуля только при больших частотах, когда возможно появление поглощения из-за

205

В области высоких частот действительная часть F(a) мала по сравнению с мнимой независимо от температуры, и поэтому

Подставляя (П.П) в (2.6) легко показать, что в этой области выра­ жение для Zs не содержит значения для энергетической щели и пол­

ностью совпадает е тем, которое получается в теории аномального скин-эффекта в обычных металлах:

Подставив приведенные выше значения для F(a>) в (П.13), мож­ но получить частотную зависимость действительной и мнимой части поверхностного импеданса, справедливую для широкого диапазона изменения Т, ш и Д:

207