Введение к работе
Актуальность работы. Открытие в 1986 году высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) кардинально изменило ситуацию в сверхпроводниковой электронике. Первые материалы имели температуру перехода около ЗОК. За прошедшее десятилетие значение критической температуры росло и к настоящему времени ртутные соединения имеют температуру перехода около 140К. Повышение температуры фазового перехода в значительной степени упрощает проблему охлаждения сверхпроводниковых электронных систем и тем самым расширяет область практического применения.
Новые материалы стимулировали работы по исследованию свойств сверхпроводников и созданию разнообразных устройств на их основе. Уже достигнуты обнадеживающие результаты в области создания приборов на основе ВТСП. В их число входят как пассивные (резонаторы, фильтры, линии передачи, антенны), так и активные (преобразователи, генераторы, детекторы, стандарты напряжения) приборы и устройства.
Несмотря на значительный прогресс сверхпроводниковой электроники, в этой области науки пока еще остается довольно много белых пятен. Широкое поле деятельности существует в теоретических и экспериментальных исследованиях направляющих сверхпроводящих структур, а также в обработке экспериментальных результатов для получения информации о свойствах новых сверхпроводников. Для этой цели, в частности, необходимы физико-математические модели, описывающие параметры такой среды. Имея соответствующие модельные представления материальных параметров среды, можно ставить и решать электродинамические задачи о распространении электромагнитных волн в направляющих сверхпроводящих структурах. При изготовлении реальных полосковых структур на основе тонких пленок ВТСП необходимо решать весьма сложные технологические задачи, как, например, технология формирования структур (фотолитографические процессы).
Цель диссертационной работы. Теоретическое исследование направляющих сверхпроводящих структур в рамках развиваемой плазменной модели сверхпроводника. Сравнение плазменной модели с существующими представлениями сверхпроводящей среды. Оценка возможных направлений усовершенствования данной модели. Разработка и изготовление экспериментального оборудования для проведения измерений полосковых структур на основе ВТСП при криогенных температурах. Экспериментальное исследование частотных и температурных характеристик пассивных элементов тракта СВЧ сантиметрового диапазона на основе тонких пленок ВТСП.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые получены следующие теоретические и практические результаты:
-
Развита плазменная модель сверхпроводящей среды. Проведено сравнение различных модельных представлений сверхпроводника. Определены возможные направления развития плазменной модели.
-
Получено строгое решение электродинамической задачи о распространении электромагнитных волн в направляющих сверхпроводящих структурах с привлечением методов, разработанных для плазменных и диэлектрических волноводов. Изучены структуры различных геометрий, которые могут служить прототипами сверхпроводящих полосковых линий передачи.
-
Проведен подробный анализ особенности поведения фазовой скорости электромагнитных волн, распространяющихся в сверхпроводящих направляющих структурах, вблизи температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Теоретический расчет подтвержден экспериментальными результатами.
-
Рассмотрены возможности повышения добротностей полосковых резонаторов различных типов с учетом особенностей синтеза тонких пленок высокотемпературных сверхпроводников.
-
Экспериментально достигнуты высокие значения нагруженных добротностей полосковых резонаторов, изготовленных из тонких пленок различных соединений ВТСП на основе иттрия, лютеция, таллия, гольмия.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
-
Рассмотрение сверхпроводящей среды как многокомпонентной плазмы имеет значительный интерес с методической точки зрения, поскольку дает возможность описывать свойства сверхпроводников в принятых в традиционной электродинамике.
-
Экспериментальные данные о температурных и частотных характеристиках полосковых устройств, изготовленных из тонких пленок различных соединений ВТСП, позволяют получить информацию о высокочастотных свойствах новых материалов.
-
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс МЭИ в курсах "Применение ВТСП в энергетике и радиоэлектронике" и "Радиофизика".
Обоснованность научных положений заключается в проведенном сравнительном анализе различных модельных представлеїшй сверхпроводящей среды.
Достоверность полученных результатов подтверждается как собственными экспериментальными данными, так и результатами, известными из литературных источников.
Апробация работы. Данная работа выполнялась в рамках проекта "Развитие технологии и исследование свойств ВТСП тонкопленочных радиокомпонентов СВЧ и ИК диапазонов" подпрограммы "Сверхпроводимость" Российской научно-технической программы "Актуальные проблемы физики конденсированных сред", а также проекта
"ВТСП" программы "Международное сотрудничество" ГК по высшему
образованию России. Основные положения и результаты работы
докладывались и обсуждались на Международной конференции по
электротехническим материалам и компонентам (Крым, 1995);
Международной научно-технической конференции "Проблемы
радиоэлектроники" (Москва, 1995); Международной конференции по химии и технологии ВТСП (Москва, 1995); Международной конференции по электронике (Москва, 1995); II Международной конференции по электромеханике и электротехнологии (Крым, 1996).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных трудов. Результаты работы использованы в пяти отчетах НИР.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложения и содержит 173 страницы.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Развитие плазменной модели сверхпроводниковой среды. Подробный анализ распространения электромагнитных волн в сверхпроводнике в рамках данной модели.
-
Строгое решение электродинамической задачи о распространении волн в направляющих сверхпроводящих структурах различных геометрий.
-
Анализ особенности поведения фазовой скорости электромагнитных волн, распространяющихся в сверхпроводящих направляющих структурах, вблизи температуры перехода в сверхпроводящее состояние.
-
Экспериментальные данные температурных и частотных характеристик полосковых устройств, изготовленных из тонких пленок ВТСП на основе иттрия, лютеция, таллия, гольмия.