ОСОБЕННОСТИ ВАРЬИРОВАНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ ДАТЧИКОВ-ОГРАНИЧИТЕЛЕЙ

January 8, 2013 by admin Комментировать »

д.                             Б. Кучер, С. А. Зайцев, А. И.Харланов, М. В. Степанова СВМИ им. П. С. Нахимова ул. Дыбенко, 1а, г. Севастополь, 99035, Украина тел.:8(0692)-533606, e-mail: 244257@rambler.ru

Аннотация – В работе рассматривается возможность применения тонких пленок высокотемпературных сверхпроводников ДЛЯ реализации быстродействующей защиты систем передачи информации от мощных электромагнитных излучений искусственного происхождения и возможность уменьшения времени срабатывания приборов, построенных на основе данных пленок, в случае помещения их в постоянное магнитное поле.

I.                                         Введение

Анализ последних исследований в области генерирования мощных электромагнитных излучений (МЭМИ) малой длительности показал возможность их применения для вывода из строя чувствительных элементов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) через линии передачи информации [3,4].

Применяемые в данных линиях схемотехнические системы защиты, построенные на газоразрядных и полупроводниковых приборах не способны обеспечить устойчивое функционирование РЭА в условиях данного электромагнитного воздействия из-за их сравнительно высокой инерционности по сравнению с длительностью МЭМИ [2].

Наиболее перспективными в данной области является применение явления обратимого разрушения тонкой пленки высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) для создания быстродействующих дат- чиков-ограничителей. Конструктивно такие устройства могут быть выполнены в виде полосковой линии передачи (микрополосковой или копланарной), основным элементом которой является тонкая ВТСП пленка. Принцип действия ВТСП датчиков- ограничителей связан с возможностью обратимого разрушения сверхпроводимости тонкой пленки током, наводимым МЭМИ в линии передачи.

II.                                 Основная часть

Учитывая, что наиболее уязвимым для внешнего воздействия является радиоканал, рассмотрим модель воздействия МЭМИ на чувствительные элементы РЭА через антенно-фидерные устройства (АФУ).

где Етах – амплитуда напряженности электрического поля импульса. В/м; h – длина антенны, м; Ьд = h/2 – действующая длина антенны, м; Са – емкость антен

Одной из самых распространенных антенн, применяемых в современных информационных системах, является дипольная антенна. Длина таких антенн в подавляющем большинстве соизмерима с линейными параметрами воздействующих полей. Поэтому, как показано в работе [1], реакция дипольной антенны на воздействие импульсного электрического поля, будет выглядеть следующим образом:

 

ны по отношению к земле, Ф;

сопротивление нагрузки антенны. Ом; Ри – сопротивление излучения антенны в точке первого резонанса, Ом; Lp – индуктивность антенны в точке первого резонанса, Гн; а= ^2- коэффици

ент затухания импульса, с’\

Энергия, выделяемая на нагрузке, будет определяться выражением (2) и, в зависимости от длины антенны, может принимать значения от Ю"* и выше.

Из полученных результатов следует, что проникновение МЭМИ в приемное устройство через данный антенно-фидерный тракт приведет к необратимым физико-химическим процессам в полупроводниковых приборах и интегральных микросхемах, пороговая энергия для которых не превышает Ю"* н-10^^ Дж [2].

Модель защиты чувствительных элементов нагрузки от воздействия МЭМИ, предлагаемая в работе, основывается на последовательном подкпючении в цепь датчика-ограничителя, созданного с применением тонкой ВТСП пленки [2], напыленной на диэлектрическую подложку.

Анализ проведенных исследований показал, что применение ВТСП датчика-ограничителя в качестве схемотехнического элемента защиты, позволит значительно снизить опасные уровни энергии МЭМИ выделяемые на нагрузке данного АФУ. При этом динамику работы ограничителя необходимо рассматривать, учитывая, что тонкая ВТСП пленка может находиться в трех фазовых состояниях. Время нахождения тонкой пленки в сверхпроводящем состоянии характеризует инерционность данного устройства, которая для МЭМИ с малой длительностью импульса на несколько порядков ниже, чем время срабатывания существующих газоразрядных и полупроводниковых приборов.

Однако с увеличением длительности импульса и уменьшением его амплитуды, время срабатывания датчика-ограничителя увеличивается, и его характеристики становятся сравнимы с характеристиками привычных полупроводниковых приборов. Поэтому целесообразно проводить усовершенствование рассматриваемого устройства путем увеличения его чувствительности за счет уменьшения критических токов 1с1 и 1с2, что приведет к увеличению скорости перехода из сверхпроводящего состояния в нормальное.

Так как известно, что изменение значения транспортного тока прямо пропорционально изменению значения магнитной индукции, наводимой на поверхности сверхпроводника с цилиндрической симметрией распределения тока, то для увеличения скорости достижения величин критических токов необходимо поместить датчик-ограничитель во внешнее магнитное поле.

где //q- магнитная постоянная; μ – магнитная проницаемость среды (для жидкого азота принимаем // =1); R – расстояние от проводника с током I до точки, в которой определяется магнитная индукция, м.

Для того чтобы в этом случае вычислить критические токи в сверхпроводнике, необходимо всего лишь векторно сложить внешнее магнитное поле с полем транспортного тока.

Для создания необходимого поля наиболее удобным является использование модели, построенной на основе катушки, с расположенным внутри датчи- ком-ограничителем. Тогда, зависимость индукции внешнего магнитного поля от тока, протекающего в катушке, будет иметь вид:

где – индукция внешнего магнитного поля, создаваемого катушкой, Тл; N – количество витков; I длина катушки, м; ^

где .-расстояние от центра катушки до точки

расположения ВТСП, м; if = 0.2-радиус катушки, м.

Таким образом, максимальный ток, который будет протекать по сверхпроводнику без возникновения сопротивления, можно представить в виде разности критического тока для ВТСП без воздействия внешнего магнитного поля и тока, наводимого магнитным полем катушки:

Аналогичные расчеты проводятся и для нахождения критического тока 1с2.

Очевидно, что чем меньше значения критических токов, тем быстрее будет срабатывать защита и тем меньше вероятность возникновения необратимых разрушений в чувствительных элементах, входящих в состав нагрузки. Кроме того, в работе [4] была показана возможность варьировать чувствительностью датчика-ограничителя внешним подмагничиванием.

III.                                  Заключение

Таким образом, необходимо отметить, что датчи- ки-ограничители в качестве схемотехнических элементов защиты не только значительно уменьшают влияние высоких энергий МЭМИ на чувствительных элементах РЭА, но и обладают временем срабатывания, значительно меньшим, чем полупроводниковые приборы и разрядники, которое, кроме того, можно регулировать изменяя внешнее магнитное поле. Поэтому техническое применение данных сверхпроводящих устройств для осуществления быстродействующей защиты РЭА от МЭМИ является одним из наиболее перспективных направлений.

IV.                              Список литературы

[1] Кравченко В. И., Болотов Е. А., Летунова Н. И. Радиоэлектронные средства и мощные электромагнитные помехи.· М.: Радиосвязь, 1987 – 251 с.

[2] Кучер Д. Б. Мощные электромагнитные излучения и сверхпроводящие защитные устройства.- Севастополь: Ахтиар, 1997. – 188 с.

[3]  Чумаков В. И., Столярчук А. В., Харченко О. И. Моделирование сверхширокополосных сигналов // Сборник научных трудов.- Харьков.2005.- Том 6.- С.26-29.

[4]  Кучер Д. Б., Носенко В. И., Харланов А. И. Особенности разрушения сверхпроводящего состояния тонких пленок высокотемпературных сверхпроводников под воздействием электромагнитных излучений // Сборник научных трудов. – Харьков, 2005. – Том 6. – С. 112-116.

SPECIFIC FEATURES OF SENSITIVITY VARIATIONS IN SUPERCONDUCTIVE LIMITER SENSORS

D.                             B. Kucher, S. A. Zaytsev,

A.                        I. Kharlanov, M. V. Stepanova Sevastopol Naval Institute Sevastopol, 99035, Ukraine

phone (0692) 533606, e-mail: 244257@rambier.ru

A possibility of high-temperature superconductor thin film applications in high-speed protection of data transfer systems against high-power artificial EMR, and prospects of faster operation of thin-film based devices inside a magnetostatic field are discussed.

I.                                         Introduction

Latest research in the area of short high-power EMR generation has shown its potential applications in the destruction of sensitive electronic components via data transfer lines [4]. At the same time, protection systems that are usually implemented in this lines and are based on gas-discharge and semiconductor devices are not capable of ensuring trouble-free operation of electronic equipment in such electromagnetic environment due to their relatively low speed compared to high-power EMR [2]. The implementation of reversible destruction phenomenon in thin films of high-temperature superconductors holds much promise in the design of high-speed limiter sensors.

II.                                        Main Part

The operation of limiter sensors is based on one of the most interesting properties of superconductors: the resistance of this material may increase from the level of line resistance to several кП. Advantages of high-temperature superconductors are most obvious when the duration of high-power EMR is short. However, with longer pulses and smaller amplitudes, the speed of limiter sensors also increases, and their properties approach those of usual semiconductor devices. Therefore, it makes sense to improve the sensitivity of devices by reducing the value of critical currents, which would increase the speed of transition from a superconducting state to a normal one.

Since electric and magnetic fields are interconnected, we may use one to change the other. To generate the required field, it would be best to use a model based on a coil with a limiter sensor placed inside. In this way the maximum current passing through the superconductor without any resistance may be represented as a difference of a critical current in high- temperature superconductors free from the influence of external magnetic fields and currents induced by the magnetic field of the coil.

Obviously, the smaller critical currents are, the lower the probability is of irreversible destructions in sensitive elements comprising the load.

III.                                       Conclusion

It should be stressed that limiter sensors as protection components not only considerably reduce the impact of high-power EMR on electronics and offer faster operation compared to semiconductor devices and arresters, but also may be adjusted using external magnetic fields. The application of these superconducting devices in fast protection of electronics from high- power EMR looks very promising.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты