СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ РЕЗОНАТОРЫ
Мы уже убедились в том, что сверхпроводники могут помочь электронике в решении многих проблем. Расскажем еще об одном интересном и важном применении сверхпроводников. В этот раз речь пойдет о технике высоких частот. На очень высоких частотах, порядка 1010 Гц (это область сантиметровых волн), вместо колебательных контуров (конденсатора и катушки), как правило, используются объемные резонаторы.
Объемный резонатор — устройство несложное. В простейшем случае он представляет собой замкнутую полость прямоугольной формы с электропроводящими стенками. В таких полостях можно возбуждать электромагнитные колебания, при которых внутри полости существуют переменные электрические поля, а по стенкам текут высокочастотные переменные токи. Частота колебаний зависит от геометрических размеров резонатора и от пространственной структуры переменных полей и токов.
В любых резонаторах часть энергии высокочастотных колебаний превращается в тепло и, следовательно, теряется. Поэтому колебания, если их не поддерживать, постепенно затухают. Резонаторы с малым затуханием обладают большими достоинствами. Прежде всего затухание определяет ширину линии резонанса. Чем сильнее затухание, тем более широкими, размытыми получаются резонансные линии.
Качество резонаторов характеризуют специальной величиной, называемой добротностью. По своему смыслу она соответствует отношению запасенной в поле энергии к потерям энергии в стенках за один период колебаний. Добротность резонатора, таким образом, обратно пропорциональна электрическому сопротивлению его стенок. Чем меньше сопротивление материала стенок, тем меньше тепловые потери и выше добротность резонатора. Ясно, что применение сверхпроводников, не обладающих электрическим сопротивлением, является с этой точки зрения весьма перспективным.
Отметим одно обстоятельство, которое раньше, в предыдущих главах, осталось в тени. То, что сверхпроводник не проявляет сопротивления постоянному току, нам хорошо известно. А вот переменному току он, как выяснилось, оказывает определенное конечное сопротивление (особенно на высоких частотах).
Вспомните «двухжидкостную» модель сверхпроводника: ток в нем переносится как нормальными, так и сверхпроводящими электронами.. Нормальные электроны ведут себя обычным образом: они теряют энергию из-за рассеяния и в результате возникает сопротивление материала. Они обладают массой, а следовательно, инерцией, которая обусловливает индуктивность образца.
Сверхпроводящие электроны не рассеиваются и поэтому не вносят вклада в сопротивление. Но они, так же как и нормальные электроны, имеют массу и инерцию и вносят вклад в создание индуктивности образца.
В случае постоянного, не изменяющегося во времени тока весь ток осуществляется сверхпроводящими электронами. Сверхпроводник подобен двум параллельным проводникам: одному с нормальным сопротивлением, другому с сопротивлением, равным нулю. Можно сказать, что «сверхпроводящие электроны замыкают накоротко нормальные».
Если теперь материал поместить в переменное электрическое поле, то ситуация изменится. Сверхпроводящий ток будет отставать в силу инерции сверхпроводящих электронов, и ток разделится между двумя ветвями обратно пропорционально величинам их полных сопротивлений. Каждая из этих величин конечна, поэтому ток будет протекать и в той и и другой ветви. Ток, текущий в правой ветви, создается нормальными электронами, которые и обусловливают сопротивление.
Таким образом, пока в сверхпроводнике существует изменяющийся во времени ток, в принципе в нем существует сопротивление. При достаточно высоких частотах сверхпроводник ведет себя так же, как и нормальный металл. Но это происходит, как показал анализ, при частотах, больших 1010 Гц. До этих частот лишь очень малая часть тока переносится нормальными электронами, и соответствующие потери энергии практически ничтожны. Сверхпроводник, по существу, остается с нулевым сопротивлением, и ситуация мало чем отличается от случая постоянного тока.
Именно это обстоятельство и позволило предположить, что при использовании сверхпроводников в качестве материала стенок можно будет получить резонаторы со сколь угодно малым затуханием.
Сверхпроводящие резонаторы позволяют получать значения добротности 1011 — это в миллион раз выше, чем в конструкциях с омедненными или посеребренными стенками. Такие резонаторы с очень малым затуханием, а значит, и с очень узкими резонансными линиями можно использовать как сверхточные эталоны частоты. В электронных микроскопах эти резонаторы обеспечивают огромное разрешение, малые помехи при простой регулировке.