S Sup perrc y con Mi ndu icro ucto oon ore nda es ass

Superconductores
y Microondas
L
a superconductiv
vidad, junto con otras tecnologías
e
electrónicas
crriogénicas, puuede dar a los
c
componentes
dee microondas y ondas milimétriicas,
a
ambos
pasivos y activos, caractterísticas superioores
a las que se consiguen utilizando tecnologías
convencionaales a temperratura ambientte [1], [2]. Los
radioastrónoomos han estado
o enfriando las etapas
e
de entradaai de
sus receptorres a temperaturas de 10 K e innferiores por máss de
50 años, mientras qu
ue dispositivoss con estrucctura
superconducctor-aislante-sup
perconductor (SIIS, por sus siglas en
i
N. del T.: Enn inglés front endss.
inglés) enfriados
e
a cercaa de 4 K han siddo utilizados coomo los
mezcladoores y detectores preferidos para radiotelescopios
operadoss en el rango de ondas milimétriicas desde la déccada de
1970. Ottras aplicacioness crioelectrónicaas que se remonttan a la
década de
d 1960 incluyyen arreglos dee planos focalees para
detecciónn de luz infrarrooja que funcionaaban a temperatuuras de
50–70 K cuando su opeeración con largga longitud de onda y
muy bajjo ruido eran requeridas. Auunque los dispoositivos
superconnductores (como las cavidades coon alto factor Q)) tienen
una histooria larga en los aceleradores dee partículas dentrro de la
física de altas energías (HEP,
(
por sus siiglas en inglés), no han
tenido unn amplio uso enn otras aplicacioones. Distintos factores
f
Martin Nisenoff
N
(m.nisenoff@
[email protected]) está con M. Nisenoff Associattes,
1201 Yale Placce, Suite # 1004, Minnneapolis, Minnesotaa 55403-1958, Estadoos Unidos.
Jeffrey M. Pond (jef
[email protected]) está con Microwave Technology Brancch, Code 6850,
Eleectronic Science and Technology Divisionn, Naval Research Laaboratory, 4555 Overrlook Avenue, SW, Washington,
W
DC 203775, Estados Unidos.
Traaducido por: Reydezeel Torres-Torres ([email protected])
Digital Object Ideentifier 10.1109/MMM.22009.932077
84
4
1527-3342/0
09/$25.00©2009 IE
EEE
Mayo de
d 2009
han contribuido a esta situación, incluyendo la falta de madurez La superconductividad es uno de los fenómenos
de algunas de estas tecnologías, así como el hecho práctico de más exóticos observados en la naturaleza.
que la carga criogénicaii es percibida como muy grande si se
compara con la ventaja en rendimiento que se puede obtener.
Sin embargo, en años recientes, ha habido mejoras notables
Antes de 1986, todos los materiales conocidos como
superconductivos tenían que ser operados a temperaturas en los materiales y la criogenia superconductivos, resultando
criogénicas muy bajas, esto es, por debajo de los 23 K. Debido en un número de aplicaciones emergentes de la
a la severa carga criogénica al operar a estas temperaturas, superconductividad que justifican la atención de las
hubo poco interés en estos materiales por parte del ingeniero de comunidades de microondas y ondas milimétricas. Basándose
microondas típico. Hubo por supuesto muchas aplicaciones en estos avances recientes, el tópico de una sesión, cuyos
especializadas, como mezcladores y detectores de microondas detalles se muestran en la Tabla 1, será presentada en el
y ondas milimétricas de bajo ruido, para la alta demanda en próximo IMS a llevarse a cabo en Boston, Massachusetts, en
radioastronomía, donde la ganancia en rendimiento vale el junio de 2009 y se titula “Avances recientes en la
esfuerzo y complejidad correspondientes. Aunque estos superconductividad en el rango de microondas.” Esta sesión
superconductores de baja temperatura [(LTS, por sus siglas en será patrocinada conjuntamente por el Comité Coordinador
inglés); debajo de 23 K] eran considerados exóticos por la Técnico MTT-18 de la Sociedad de Teoría y Técnicas de
mayoría de los ingenieros de microondas debido a sus muy Microondas de la IEEE (MTT-S), y el Consejo en
bajas temperaturas de operación, difícilmente podría decirse Superconductividad de la IEEE.
El objetivo de este artículo es presentar algunos de los
que eran raros. Más de un tercio de los elementos en la tabla
periódica exhiben superconductividad a alguna temperatura principios básicos de la superconductividad para el ingeniero
menor a alrededor de 9 K, mientras que más de 5,000 de microondas típico, así como describir las propiedades de la
aleaciones, compuestos y mezclas exhiben superconductividad superconductividad que pueden ser explotadas en tecnologías
de microondas y ondas milimétricas para obtener componentes
a temperaturas debajo de 23 K.
El interés en la superconductividad por el público en general con un rendimiento apreciablemente superior sobre los
aumentó considerablemente después del descubrimiento en sistemas convencionales. Adicionalmente, se presentarán
1986 de una clase de materiales de óxido de cobre que se algunos comentarios acerca de cuestiones referentes a la
vuelven superconductivos a una temperatura cercana a 40 K [3], refrigeración, las cuales se asocian con el uso de componentes
como se evidencia en los artículos de portada de muchos y sistemas de microondas superconductivos.
periódicos y revistas. Ha habido un progreso rápido, el cual ha
aumentado la más alta temperatura de operación a Fundamentos de Superconductividad
aproximadamente 90–120 K para estos superconductores de La superconductividad es uno de los fenómenos más exóticos
alta temperatura (HTS, por sus siglas en inglés) basados en observados en la naturaleza. Conforme la temperatura de un
óxido. Como resultado de este aumento en el interés en la superconductor se reduce debajo de un punto crítico, la
superconductividad, frecuentemente ha habido una o dos resistencia eléctrica de la muestra desaparece, como se muestra
sesiones dedicadas a estos materiales y sus aplicaciones en en la Figura 1, y se dice que se vuelve cero [4]. La resistencia
dispositivos de microondas en el Simposio Internacional de igual a cero puede ser difícil de comprender. Una manera
Microondas
(IMS,
por
sus
siglas
en
inglés). mejor de analizar este concepto desde la perspectiva de un
Desafortunadamente, estos materiales basados en óxido de ingeniero eléctrico es considerando un experimento en el cual
cobre tienen una metalurgia muy difícil (pueden tener cuatro o la corriente es inducida para fluir en un lazo (de varias vueltas)
cinco constituyentes y su configuración de red afecta de un alambre superconductor de alta calidad. Si uno intenta
críticamente sus propiedades superconductivas) y, entonces, observar el decaimiento de la corriente en el lazo con el tiempo,
desde mediados hasta finales de la década de 1990, el interés la mejor estimación para el límite superior de este decaimiento
en los materiales HTS y sus aplicaciones en el rango de sería de 109 años, lo cual, para el lazo de alambre de cierta
microondas se redujo drásticamente, así como el número de inductancia, da un estimado para el límite superior de la
artículos enviados al IMS sobre este tema.
resistividad de cd del alambre en el estado de superconducción
TABLA 1. Tópico de la sesión: Avances recientes en la superconductividad en el
rango de microondas
IEEE MTT-S IMS, Boston, Massachusetts, Junio de 2009.
ii
Digitalización directa de microondas: Una nueva
arquitectura para receptores
Deepnarayan Gupta
HYPRES, Inc., Elmsford, New York
Cámara pasiva, en tiempo real y en el rango de
terahertz para monitoreo de seguridad utilizando
microbolómetros superconductivos
Erich Grossman
National Institute of Standards and
Technology, Boulder, Colorado
Etapas de entrada de receptores criogénicos
prácticos para aplicaciones inalámbricas comerciales
Balam Willemsen
Superconductor Technologies, Inc.
(STI), Santa Barbara, California
Retos de ingeniería en el diseño, construcción y
comisionado del Colisionador Lineal Internacional
Mark Champion
Fermi National Accelerator
Laboratory, Batavia, Illinois
N. del T.: En inglés cryogenic burden.
Mayo de 2009
85
que es por lo menos 20 órdenes de magnitud menor que la
resistividad del cobre a temperaturas criogénicas. El principal
obstáculo para el uso de superconductores en aplicaciones
prácticas es el requerimiento de enfriamiento criogénico.
Figura 1. Gráfica de la transición a la superconducción en el
mercurio observada por H. K. Onnes en 1911.
Figura 2. Representación esquemática del efecto Meissner en
un superconductor. (a)Comportamiento magnético cuando el
espécimen está en estado normal (esto es, a temperaturas por
arriba de Tc). (b) Comportamiento magnético cuando el
espécimen está en el estado superconductor (esto es, a
temperaturas debajo de Tc).
86
Mayo de 2009
Mientras un superconductor podría parecer ser un conductor
perfecto, hay una profunda diferencia entre un superconductor
y un conductor perfecto, y esto es un fenómeno conocido como
el efecto Meissner [1]. Por arriba de su temperatura de
transición, un superconductor expuesto a un campo magnético
débil permitiría que el flujo magnético penetrara
uniformemente a través de su volumen [Figura 2(a)]. Si un
superconductor fuera un conductor perfecto, cuando se enfriara
pasando a través de su temperatura de transición a la
superconducción y en la presencia de un campo magnético
externo débil, el flujo magnético sería congelado en el lugar
que ocupa en el interior de la muestra. Sin embargo, lo que se
observa experimentalmente es que cuando un superconductor
que se expone a un campo magnético débil se enfría pasando a
través de su temperatura de transición, el flujo magnético que
atraviesa la muestra en estado normal es expelido casi
completamente del interior, lo que implica que un
superconductor es un material diamagnético perfecto [Figura
2(b)]. Así, la prueba para un superconductor verdadero es que,
por debajo de la temperatura de transición, la muestra debe
exhibir resistencia eléctrica igual a cero y también expeler el
flujo magnético, esto es, presentar diamagnetismo.
El fenómeno de la superconductividad fue descubierto en
1911 por un físico holandés de apellido Onnes [4]. No fue
hasta medio siglo después que una teoría exhaustiva acerca de
la superconductividad fue propuesta por tres físicos
estadounidenses: John Bardeen (uno de los coinventores del
transistor), Leon Cooper y Robert Schreiffer en el famoso
artículo BCS [5]. En estado normal, electrones individuales con
espines orientados aleatoriamente fluyen a través de un
conductor e interactúan iii con impurezas, defectos y
fluctuaciones térmicas en la red. Estas interacciones resultan en
una resistencia al flujo de los electrones. De acuerdo con la
teoría BCS, en un superconductor con las condiciones
ambientales adecuadas, hay una probabilidad de que bajo un
tipo especial de interacción con la red, electrones con espín
opuesto se apareen (se les conoce como pares de Cooper).
Estos pares de Cooper pueden fluir a través del conductor sin
que ocurra interacción con el material y entonces no se exhibe
resistencia eléctrica alguna. Para una descripción más detallada
y rigurosa del mecanismo de la superconductividad, debe
consultarse directamente el artículo BCS [5] o un libro de texto
acerca de superconductividad [1], [2].
Para cada material superconductor hay una temperatura
crítica (Tc) y un campo magnético crítico (Hc) que no puede ser
excedido si el estado de superconducción va a ser observado.
Estas dos propiedades son intrínsecas al material. Hay una
tercer parámetro crítico, la densidad de corriente crítica (Jc), la
cual en la práctica depende de la metalurgia y de las
condiciones físicas del espécimen. Mientras que la temperatura
de operación del experimento se encuentre por debajo de la
temperatura crítica, el campo magnético en el ambiente sea
menor que el campo magnético crítico y la densidad de
corriente esté debajo de la densidad de corriente crítica para el
espécimen específico, la superconductividad puede ser
observada como se ilustra en la Figura 3. Para aplicaciones de
microondas, la temperatura de operación relativa a la
temperatura crítica del material es el primer criterio para operar
un dispositivo superconductor, mientras que el campo
iii
N. del T.: En inglés a estas interacciones se les denomina scattering
mechanisms, lo que se traduce en algunos textos como mecanismos de
dispersión.
magnético en el ambiente comúnmente no es un problema. La
densidad crítica en un dispositivo de microondas
superconductor es importante debido a que establece un límite
superior en la corriente que puede ser inducida en el espécimen
antes de que empiece la generación de señales relacionadas con
los armónicos, las cuales degradarán el rendimiento del
dispositivo.
Otra propiedad asociada con la superconductividad es la
brecha iv de energía en el superconductor. En el estado de
superconducción, los pares de Cooper tienen una energía
menor que la de los electrones individuales, y así existe una
brecha energética en la densidad de estados del material, con
los estados de los pares de Cooper por debajo y los estados
normales de los electrones por arriba de la brecha.
La brecha energética es máxima para T = 0 K y decrece
lentamente conforme la temperatura aumenta hasta cerca de 2/3
de Tc, mientras que para incrementos posteriores de
temperatura, la brecha energética disminuye progresivamente
más rápidamente, llegando a cero a una temperatura Tc.
Este tipo de variación de temperatura es también observado
para otros parámetros de superconductores como la densidad
de corriente crítica y el campo magnético crítico. El valor de
estos parámetros decrece lentamente conforme la temperatura
aumenta desde el cero absoluto. Una vez que la temperatura
excede 2/3 de Tc, el parámetro decrece progresivamente más
rápidamente con la temperatura hasta alcanzar un valor de cero
en Tc. Debido a la dependencia de los parámetros de
superconducción con la temperatura, hay una aproximación
práctica dentro de la comunidad de superconductividad
aplicada que dicta que los dispositivos superconductores deben
ser operados a temperaturas menores a 2/3 de Tc. Por debajo de
esta temperatura, las características de los dispositivos
superconductores son relativamente insensibles a pequeñas
variaciones de la temperatura en el ambiente criogénico.
Superconductividad en el Rango de
Microondas
De acuerdo con la teoría BCS, la brecha de energía en el
superconductor, Δ(E), para T = 0 K está relacionada a la
temperatura de transición a la superconducción por medio de la
relación
ΔE(T = 0 K) = 3.52kBTc,
donde kB es la constante de Boltzman. La constante 3.52 es
para un superconductor ideal y puede variar desde alrededor de
3.2 hasta 3.6 para la mayoría de los superconductores. Si un
fotón dentro del rango de microondas u ondas milimétricas con
una energía mayor a la de la brecha de energía en el
superconductor incide en una muestra y es absorbido por un
par de Cooper, el par será roto y dos electrones normales se
crearán por arriba de la brecha. Para un superconductor ideal
con una temperatura de transición de Tc = 1 K, la frecuencia de
un fotón dentro del rango de ondas milimétricas con energía
igual a la de la brecha de energía en el superconductor y
considerando una temperatura de T = 0 K sería de alrededor de
73 GHz. Para superconductores prácticos, la energía del fotón
correspondiente a la brecha de energía se escalaría con Tc. Para
el niobio (Tc = 9.2 K), el material más comúnmente utilizado
en dispositivos y circuitos LTS, la frecuencia de radiación
correspondiente a la brecha de energía es de alrededor de 670
GHz.
iv
N. del T.: En inglés gap.
Figura 3. Gráfica tridimensional (3-D) de Tc, Hc y Jc que
define la superconductividad. Los materiales son
superconductivos si todos estos parámetros tienen valores
debajo de la superficie mostrada, mientras que son
considerados en estado normal si alguno se halla fuera de la
superficie.
De acuerdo tanto a resultados experimentales como a la
teoría BCS, la propiedad de resistencia cero de un
superconductor es válida sólo para cd (esto es, para f = 0),
mientras que a frecuencias finitas, hay pérdidas eléctricas
finitas pero usualmente muy pequeñas, incluso cuando el
espécimen esté aún en el estado de superconducción. Estas
pérdidas en ca dependen primeramente de la temperatura de
Figura 4. Gráfica esquemática de la brecha de energía del
superconductor en función de la temperatura.
Mayo de 2009
87
Uno de los principales obstáculos para el
desarrollo de dispositivos superconductores
fuera del laboratorio ha sido la preocupación (a
veces casi fobia) acerca de la refrigeración
criogénica.
operación relativa a la temperatura crítica así como de la
temperatura de observación, con las pérdidas variando en
proporción con el cuadrado de la frecuencia.
El origen de esta pérdida a cualquier frecuencia diferente de
cero cuando la temperatura está por arriba de 0 K se debe a la
existencia de dos tipos de portadores de carga dentro del
superconductor. Aunque los pares de Cooper se mueven sin
resistencia, los portadores en estado normal, aquellos por arriba
de la brecha de energía, se comportan como electrones en un
conductor normal. La razón por la cual los pares de Cooper no
eliminan a los electrones normales es que poseen masa, y en
consecuencia, energía cinética. Siempre y cuando operemos
considerablemente por debajo de la frecuencia correspondiente
a la brecha energética, un circuito equivalente para un
superconductor es simplemente un resistor y un inductor en
paralelo. El resistor considera los portadores que están por
arriba de la brecha energética, los cuales se comportan como
electrones en un conductor normal. El inductor modela la
energía cinética de los pares de Cooper. Tanto el valor del
resistor como el del inductor son funciones fuertes de la
temperatura. Por supuesto, para una frecuencia igual a cero
(cd), el inductor pone en corto circuito al resistor. Este modelo
ayuda a reforzar la diferencia considerable que hay entre un
superconductor y un conductor perfecto.
Este modelo de circuito equivalente, junto con las apropiadas
dependencias con la temperatura de los componentes
correspondientes, nos permite explicar muchas de las
propiedades en el rango de microondas de los superconductores
en niveles de bajo campo v . Debido a que hay dos tipos de
portadores de carga, cada uno contribuye a su manera
apantallando vi los campos. Entonces, tenemos una situación
más complicada en lo que se refiere a la resistencia y la
reactancia superficiales que con un conductor normal. La
longitud de decaimiento característica que sufren los campos
dentro de un superconductor, determinada por la corriente de
pares de Cooper, se conoce como la profundidad de
penetración superconductiva. A temperaturas que están
considerablemente por debajo de Tc, la profundidad de
penetración es mucho más corta que la profundidad de piel
debida a los electrones normales. La profundidad de
penetración se vuelve más grande al incrementar la temperatura
pero sólo ligeramente hasta que nos acerquemos a Tc, que es
cuando se vuelve progresivamente más grande muy
rápidamente. Mientras tanto, a temperaturas muy bajas, la
profundidad de piel es muy grande, debido a que casi no hay
portadores en estado normal. Conforme la temperatura se
incrementa y más portadores están en estado normal, la
profundidad de piel se vuelve más corta rápidamente, y los
portadores de carga normales comienzan a tomar parte en las
corrientes de apantallamiento. En consecuencia, la impedancia
superficial de un superconductor depende fuertemente tanto de
la frecuencia como de la temperatura [1].
v
vi
88
N. del T.: Los autores se refieren a los campos electromagnéticos.
N. del T.: A este efecto se le denomina en inglés screening.
Mayo de 2009
Así, para la mayoría de las aplicaciones de los materiales
superconductores en alta frecuencia donde a uno le gustaría
aprovechar las reducidas pérdidas en el dispositivo en relación
a conductores normales, la frecuencia de operación del
dispositivo superconductor debe ser alrededor del 10% o
menos de la frecuencia que corresponde a la brecha energética
del material. Por ejemplo, para el niobio, con una temperatura
de transición de 9.2 K y una brecha energética correspondiente
a frecuencias de alrededor de 670 GHz, uno podría operar un
dispositivo de niobio a frecuencias menores a alrededor 70
GHz y a temperaturas por debajo de aproximadamente 6 K
(esto es, para T < 0.7 Tc) para obtener pérdidas de RF
notablemente menores comparadas con las de los conductores
normales (a la misma temperatura).
Tecnología de Dispositivos
Superconductores en el Rango de
Microondas
El uso de materiales superconductores para fabricar
dispositivos de microondas con características impresionantes
ha sido explorado desde la década de 1960. Una ventaja que
viene con el uso de la superconductividad es evidente en una
gráfica de la atenuación y dispersión (Figura 5) como función
de la frecuencia para una línea de transmisión superconductora
de placas paralelas con estructura niobio–niobio óxido–niobio
comparada con una línea de transmisión hecha de cobre. En
esta comparación las líneas tienen configuración y dimensiones
similares, y ambas operan a temperatura ambiente. Para el
caso de la línea de transmisión de cobre a temperatura
ambiente, la atenuación varía suavemente en el rango de
frecuencias desde 10 MHz hasta alrededor de 100 THz,
siguiendo aproximadamente una dependencia con la raíz
cuadrada de la frecuencia [Figura 5(a)]. Sin embargo, para una
línea de transmisión superconductora de placas paralelas con
estructura niobio–niobio óxido–niobio operada cerca de los 4 K,
la atenuación a bajas frecuencias es notablemente menor que
para el cobre y se incrementa aproximadamente con el
cuadrado de la frecuencia hasta frecuencias arriba de 100 GHz,
mientras la magnitud permanece por debajo de la que se asocia
con la de la línea de transmisión de cobre. Al aumentar la
frecuencia más allá, la atenuación se incrementa abruptamente
a cerca de dos órdenes de magnitud su valor a la frecuencia
donde se presenta la brecha energética para el niobio, lo cual es
aproximadamente 670 GHz. A frecuencias aún más altas, la
atenuación sigue la dependencia con la raíz cuadrada de la
frecuencia que se tiene para un conductor normal, con una
magnitud cercana a diez veces más grande que la del cobre a
temperatura ambiente [7], [8].
La variación de la velocidad de fase para señales
propagándose a lo largo de estas líneas de transmisión se
muestra en la Figura 5(b). Para la línea de cobre a temperatura
ambiente, la velocidad de fase se incrementa con la frecuencia
de manera monotónica dentro del rango mostrado. Sin embargo,
para la línea de transmisión superconductora, la velocidad de
fase es constante para frecuencias un poco arriba de 100 GHz.
Un incremento de frecuencia por arriba de este valor origina
que la velocidad de fase baje, llega a un mínimo justo por
debajo de los 1,000 GHz y entonces se incrementa al aumentar
la frecuencia. La velocidad de fase constante para señales
menores de alrededor 100 GHz a lo largo de una línea de
transmisión de niobio implica que señales complejas con
componentes de frecuencia menores de 100 GHz pueden
propagarse a través de una línea de transmisión
superconductora sin dispersión o cualquier distorsión asociada
con formas de onda complejas [7], [8]. Ésta es una propiedad
altamente deseada para líneas de transmisión en circuitos y
sistemas para el procesamiento de señales tanto analógicas
como digitales.
Las líneas de transmisión superconductoras pueden producir
una baja atenuación y transmitir sin dispersión señales con
componentes de frecuencia menores que alrededor de un
décimo de la que corresponde a la brecha energética.
Físicamente, esto resulta de la profundidad de penetración
independiente de frecuencia en un superconductor, comparada
con la profundidad de piel dependiente de la frecuencia en un
conductor normal. Ninguna otra tecnología de dispositivos de
microondas conocida puede proveer un comportamiento
similar.
Filtros para Comunicaciones con
Superconductores
La selección de la tecnología de resonadores cuando se
implementa un filtro de microondas es comúnmente
influenciada por el requerimiento de pérdida por inserción y
selectividad del filtro (qué tan abrupta es la transición de
frecuencia). Para alcanzar más alta selectividad se requiere, en
primera instancia, más resonadores, lo que resulta en más
pérdida por inserción. Cuando las pérdidas en el conductor son
dominantes es posible reducir drásticamente el tamaño del
resonador utilizando superconductores en lugar de conductores
normales. En la Figura 6 se muestra una fotografía que ilustra
el volumen relativo de filtros fabricados utilizando varias
tecnologías de filtros pero con propiedades eléctricas
comparables [9]. En la parte izquierda de la figura se muestra
un filtro fabricado utilizando tecnología de guías de ondas, en
la parte derecha se muestra un filtro basado en tecnología de
resonadores dieléctricos y los que están en primer plano son
fabricados utilizando tecnología de superconductores HTS con
operación a 70 K. El filtro superconductor a la derecha en el
primer plano de la fotografía es un filtro resonador dieléctrico
con planos de tierra HTS, y el filtro a la izquierda en el primer
plano emplea tecnología de filtros HTS de patrón delgado.
Previamente se ha demostrado que la superconductividad
puede producir resonadores y filtros con muy altos valores de
Q (y con ello baja pérdida) en volúmenes muy reducidos
comparados con los que se realizan utilizando tecnologías
convencionales (a temperatura ambiente). La pregunta es qué
ventajas a nivel sistema pueden obtenerse del uso de estos
resonadores y filtros.
1) La ventaja obvia es que para sistemas con un gran
número de filtros, el volumen total del sistema puede
ser reducido, aún tomando en consideración la
refrigeración criogénica y el recinto criogénico. Es
muy delicado el compromiso para determinar cuándo
el volumen de un sistema criogénico con N filtros
superconductores tiene ventaja en peso y volumen
contra N filtros convencionales (a temperatura
ambiente). Adicionalmente, es necesario considerar
los requerimientos principales de potencia para
muchas aplicaciones.
2) Debido a las pérdidas muy bajas en resonadores
superconductores, es factible construir filtros muy
complejos con muchos polos mientras se mantienen
relativamente bajas las pérdidas por inserción.
Resonadores de alta Q con películas delgadas
Figura 5. Comparación, en función de la frecuencia, de (a) la
atenuación y (b) la velocidad de fase para una línea de
transmisión superconductora de placas paralelas con
estructura niobio–niobio óxido–niobio y una línea con
estructura de cobre con dimensiones similares.
superconductivas pueden ser muy pequeños en
volumen debido a que frecuentemente emplean
geometrías
altamente
compactas
y/o
casi
concentradas vii . Así, estos resonadores pueden ser
empaquetados muy cerca entre ellos y el
acoplamiento
puede
ser
muy
fácilmente
implementado para enriquecer la respuesta en
Figura 6. Fotografía de filtros fabricados utilizando varias
tecnologías de filtros. La reducción el volumen que resulta del
empleo de tecnologías de filtros superconductores es obvia.
vii
N. del T.: Los autores se refieren a estas geometrías como highly
folded y quasi-lumped respectivamente.
Mayo de 2009
89
Los circuitos digitales de Josephson,
fabricados utilizando reglas de diseño de 1 μm,
pueden conmutar a velocidades
correspondientes hasta al menos 770 GHz.
frecuencia de estos filtros complejos. (Para
tecnologías de filtros convencionales de alta Q, las
dimensiones del resonador son relativamente grandes
(~λ/2) y entonces el realizar el acoplamiento para un
Figura 7. Respuesta de un filtro superconductor de 22 polos y
diez ceros en la transmisión que excede el rendimiento de un
Chebyhshev de 50 polos.
Figura 8. Fotografía de un sistema de filtrado con
superconductores para una estación base de
telecomunicación inalámbrica que consiste de seis filtros HTS
(cada uno integrado con un LNA enfriado criogénicamente),
un refrigerador criogénico y la electrónica asociada. La
unidad es de 8 in de alto, 19 de profundidad y 11 de ancho y
pesa 34 lb. Cortesía de Superconductor Technologies, Inc.
Santa Bárbara, California.
90
Mayo de 2009
filtro de alta complejidad puede ser más difícil.) Para
tecnologías convencionales, un filtro con 10–12
resonadores está cerca del límite de complejidad que
puede ser realizado de manera práctica. Con
tecnología de filtros de películas delgadas
superconductoras, los filtros pasa-banda con 22 polos
han sido fabricados y evaluados en el laboratorio,
como se muestra en la Figura 7 [10]. Filtros con este
nivel de complejidad no son prácticos con
tecnologías de filtros a temperatura ambiente.
3) El ambiente criogénico requerido para el filtro HTS
puede ser también empleado para mejorar el
rendimiento de otros componentes del sistema, como
un amplificador de bajo ruido (LNA, por sus siglas
en inglés) o un dispositivo pasivo de microondas. Se
sabe que el ruido por la temperatura de muchos LNA
de semiconductor decrece conforme la temperatura
de operación es reducida; en el enfriado desde la
temperatura ambiente hasta cerca de los 77 K, el
ruido por temperatura del LNA será reducido
típicamente por un factor de 2 a 3. Adicionalmente,
la contribución de un componente pasivo, como un
filtro o una línea de transmisión, a la figura de ruido
total del sistema depende de la pérdida por inserción
y del cociente entre la temperatura de operación y la
temperatura ambiente. Así, la contribución de ruido
en el sistema por parte de un componente pasivo
operando a 77 K puede ser cerca de un cuarto de la
que se tiene de ruido por la temperatura cuando se
opera a temperatura ambiente.
En una aplicación de comunicaciones, por ejemplo, un
sistema criogénico para etapa de entrada que consista de filtros
superconductores, LNAs enfriados criogénicamente y otros
componentes pasivos tendrá las siguientes ventajas cuando se
compara con la versión que opera a temperatura ambiente:
1) figura de ruido reducida para el sistema dentro de la
banda de paso del filtro y
2) flancos mucho más pronunciados en la curva de
respuesta en frecuencia de la banda de paso del filtro
HTS debido al mayor orden del filtro que puede ser
implementado y a los más altos valores de Q para los
resonadores HTS.
Estas características han hecho a la tecnología HTS atractiva
para vendedores de comunicaciones inalámbricas, quienes
frecuentemente han tenido fuertes problemas de interferencia,
las cuales pueden ser minimizadas por medio del uso de un
filtro HTS y la figura de ruido más baja del sistema criogénico.
Poco después del descubrimiento de los materiales HTS, estas
características motivaron a más de una docena de compañías
alrededor del mundo a intentar construir, utilizando HTS de
óxido de cobre basados en talio o en itrio, sistemas comerciales
que cubrirían las necesidades de los vendedores de
comunicaciones inalámbricas. Muchas de estas compañías han
salido del negocio, y sólo STI en Santa Bárbara, California,
continúa aún agresivamente con la distribución de sistemas con
filtros HTS dentro de la comunidad de comunicaciones
inalámbricas (ver Tabla 1). A la fecha, esta compañía ha
instalado más de 6,000 sistemas de filtros HTS para estaciones
base, la mayoría dentro de los Estados Unidos, mientras que el
número de sistemas distribuidos por sus competidores, ahora
extintos, probablemente llegaron a totalizar algunos cientos.
Una fotografía reciente de un sistema fabricado por STI se
muestra en la Figura 8.
Superconductividad en el Rango de
Microondas para Aplicaciones en la Física
de Altas Energías
La superconductividad en el rango de microondas tiene una
larga historia en la comunidad de la física de altas energías
para su uso en aceleradores de partículas de alta energía. En
los primeros días de los aceleradores HEP, empezando en la
década de 1930, la aceleración de partículas se llevaba a cabo
en ciclotrones, los cuales usualmente consistían de dos
grandes piezas de hierro que eran los polos de un electroimán
y que se localizaban en ambos lados de una cámara de vacío
en la cual eran introducidas las partículas ionizadas. Sin
embargo, la energía máxima para las partículas ionizadas que
podía ser manejada por estas máquinas estaba limitada por el
campo máximo que podía ser obtenido del sistema de imanes
de hierro con núcleo de aire.
En las décadas de 1960 y 1970, la comunidad de HEP
comenzó a considerar el uso de imanes superconductores.
Estos imanes podían proveer un campo magnético mucho
más alto que el que podía alcanzarse utilizando imanes de
hierro con núcleo de aire. Los imanes superconductores que
eran usados eran imanes dipolares solenoidales que eran
puestos en una trayectoria circular, junto a la cual las
partículas serían confinadas a viajar.
Para incrementar la energía de las partículas ionizadas
conforme viajaban alrededor de la trayectoria circular a lo
largo de los ejes de los imanes solenoidales superconductores,
se disponían cavidades de RF con alto valor de Q a lo largo
de la trayectoria circular, estas cavidades poseen un alto
gradiente de campo eléctrico. Mientras más grande era la
magnitud del gradiente de campo que experimentaba la
partícula, mayor era el aumento de energía en cada tránsito.
Con la finalidad de realizar el máximo aumento de energía
por tránsito, los ingenieros dedicados al acelerador eran
forzados a considerar cavidades superconductoras. El valor
de Q para un resonador está dado por
Q
Energía almacenada en el volumen de la cavidad
.
Energía absorbida en la superficie de la cavidad
Si uno minimiza las pérdidas en las paredes de la cavidad
por medio del uso de superficies superconductoras, cuyas
pérdidas son significativamente más pequeñas que para
conductores normales, el valor de Q será incrementado.
Además, al optimizar el diseño de la cavidad y minimizar el
rompimiento del campo debido a imperfecciones en la
superficie de la cavidad, la energía almacenada dentro de la
cavidad podría ser incrementada, y aunado con alguna
trayectoria a través del volumen de la cavidad, un valor alto
del gradiente de campo eléctrico será alcanzado.
Típicamente, estas cavidades de RF tridimensionales para
aceleradores HEP eran fabricadas utilizando una lámina con
base de niobio formada de la manera deseada, que era la
mitad de la cavidad. Otra manera típica era utilizando cobre
plateado con niobio que ha sido maquinado para tener las
formas deseadas. Una vez que estas estructuras hemisféricas
han sido recubiertas o maquinadas, se unían para formar los
resonadores. Uno de los obstáculos cruciales para el uso de
estas cavidades es la necesidad de procesar las cavidades
químicamente y pulir sus superficies internas para minimizar
impurezas y remover todas las imperfecciones físicas que
podrían favorecer los rompimientos prematuros por campo
eléctrico, limitando el máximo gradiente de campo que estas
cavidades podrían manejar. Físicos e ingenieros que trabajan
en varios laboratorios de HEP alrededor del mundo
ampliamente hicieron el diseño y manufactura de estas
cavidades superconductoras de RF.
El Gran Colisionador de Hadronesviii que fue recientemente
completado y que será administrado la siguiente primavera
por la Organización Europea para la Investigación Nuclear
(CERN, por sus siglas en francés) en Génova, Suiza, tiene
alrededor de 20 cavidades de RF superconductoras a lo largo
de sus 27 km de trayectoria circular. El siguiente acelerador
de partículas, el cual está actualmente en desarrollo, es
llamado el Colisionador Lineal Internacional (ILC, por sus
siglas en inglés), y contendrá cerca de 16,000 cavidades de
RF superconductoras a lo largo de sus 31 km de trayectoria
lineal. Éste ciertamente será uno de los más grandes
proyectos conjuntos en el área de ingeniería de microondas
(por favor ver la Tabla 1 para mayor información). La Figura
9 muestra una fotografía de una unidad aceleradora prototipo
de nueve cavidades para el ILC [12].
Bolómetros Superconductores de Transición
Abruptaix
El cambio abrupto en resistencia entre el estado normal y el
estado de superconducción puede ser utilizado como un
detector muy sensible de
partículas individuales
como rayos X, etc. Al
fabricar
la
muestra
dentro de una estructura
angosta, de baja masa
(por ejemplo, dentro de
una configuración de
alambre) y polarizando
los dispositivos en el
punto medio de la región
de transición por medio
de un ajuste cuidadoso
de la temperatura de
operación y la corriente
de
polarización,
el
dispositivo será sensible
a la absorción de la
energía de una partícula
incidente. Cuando el
dispositivo absorbe la
energía de esta partícula
incidente,
ésta
será
Figura 9. Fotografía de un
convertida en calor que
prototipo de unidad
incrementará
la
aceleradora superconductora
temperatura de la región
con cavidades de RF diseñada
local del dispositivo y
para el proyecto del
este cambio causará a su
Colisionador Lineal
vez un cambio en la
Internacional. [Cortesía de la
resistencia que será
Organización para la
monitoreado por algún
Investigación del Acelerador
sistema de medición
de Alta Energía (KEK),
adecuado. Al diseñar el
dispositivo para tener
Tskuba, Japón.]
viii
N. del T.: En inglés Large Hadron Collider o simplemente LHC.
N. del T.: En inglés a estos dispositivos se les denomina transition
edge bolometers.
ix
Mayo de 2009
91
La superconductividad puede tener un impacto
impresionante en el rendimiento de dispositivos
activos y pasivos operando dentro de la región
de microondas y ondas milimétricas del
espectro.
una transición muy pronunciada al estado de
superconducción y también tener una masa mínima, se han
construido bolómetros de transición abrupta muy sensibles
utilizados en una variedad de aplicaciones, tanto científicas
como civiles.
Aunque históricamente mucho del trabajo en esta área se
ha enfocado a la comunidad astronómica, más recientemente
han sido investigadas las aplicaciones en el estudio de
imágenes. En particular, los sistemas de terahertz para la
detección de imágenes basados en arreglos de este tipo de
bolómetros de transición abrupta son de considerable interés
actualmente para aplicaciones de monitoreo de seguridad (ver
la Tabla 1). Tales sistemas, debido a la alta sensibilidad, son
capaces de proveer el rendimiento requerido en un ambiente
bajo techo donde los contrastes en temperatura son bajos y el
uso de una fuente de iluminación (sistema activo) no es
práctico [13]. La figura 10 muestra un arreglo de bolómetros
de ocho elementos que opera a 4 K y con una capacidad de
una diferencia de temperatura equivalente de ruido de 115
mK.
Tecnología Digital de Superconductores en
el Rango de Microondas
Hace veinte años, si uno hubiera leído las palabras
microondas y digital en la misma oración, ¡el lector hubiera
desechado el artículo como sin sentido! Sin embargo, las
computadoras de hoy funcionan a velocidades que alcanzan
varios gigahertz, y así la tecnología digital está penetrando
dentro del mundo de las microondas. Aunque los circuitos
semiconductores convencionales de una muy alta escala de
integración están operando en el rango bajo de los gigahertz,
los circuitos superconductores han demostrado ya que son
capaces de operar en el rango de las decenas de gigahertz e
incluso a frecuencias más
altas. Así, la tecnología
digital de superconductores
puede ser un mecanismo para
producir circuitos digitales
que operen dentro de la
región de microondas, y en
determinado momento, aún
dentro de la región de ondas
milimétricas del espectro.
El único dispositivo activo
que
actualmente
está
disponible en la tecnología de
superconductores
es
un
dispositivo de dos terminales
conocido como la unión de
Josephson, que es una
estructura de tres capas del
tipo SIS, donde las dos capas
de superconductor son las
terminales del dispositivo. El
dispositivo de Josephson
puede estar en estado de
resistencia igual a cero
(superconducción)
o
en
estado de conducción normal.
La Figura 11 muestra la
característica
corriente–
voltaje de un dispositivo de
Josephson [14]. Suponer que
la unión es enfriada a través
de
la
temperatura
de
transición
a
la
superconducción mientras no
hay voltaje aplicado al
dispositivo. Si uno ahora
aplica una corriente al
dispositivo,
una
supercorriente fluirá a través
de él, y conforme la corriente
Figura 10. (a) Acercamiento de un microbolómetro individual; en el recuadro se muestra un
aumenta, el punto de
dado de ocho elementos. (b) Módulo de ocho elementos empaquetados donde se muestran los
operación
se
moverá
lentes hiper-hemisféricos en el substrato.
verticalmente hacia arriba a
92
Mayo de 2009
lo largo del eje donde V = 0. Cuando la corriente excede la
corriente crítica de la estructura de Josephson, el dispositivo
conmutará hacia el estado normal. Si la corriente aplicada es
entonces disminuida, el punto de operación se moverá hacia
abajo a lo largo de la rama finita de voltaje hasta que se
alcance el punto donde éste sea igual a cero. Este punto está
en el origen de la curva de corriente contra voltaje, cuando el
dispositivo conmuta hacia el estado de superconducción. Para
producir un circuito digital utilizando dispositivos de
Josephson, una o más uniones de Josephson son embebidas
en un circuito superconductor y el circuito se configura de
manera que la unión (o las uniones) pueda ser conmutada
dentro y fuera del estado normal por la acción de una
corriente de control que fluye a través de un electrodo de
control. Debido a que el dispositivo de Josephson presenta
Figura 11. Gráfica conceptual de la corriente contra el
una resistencia igual a cero (y por consiguiente, una pérdida
voltaje
para un dispositivo de unión de Josephson.
igual a cero) para una buena porción del ciclo de operación,
los circuitos digitales de Josephson exhiben pérdidas
eléctricas muy bajas. Experimentalmente, se ha demostrado
dispositivos. En consecuencia, la comunidad dedicada a la
que los circuitos digitales de Josephson, fabricados utilizando
superconducción digital se ha enfocado a circuitos con
reglas de diseño para 1 μm, pueden conmutar hasta
relativamente bajo número de dispositivos,
como los
velocidades que corresponden a al menos 770 GHz. Entonces,
convertidores analógico a digital (ADCs, por sus siglas en
los circuitos lógicos digitales de Josephson son de muy alta
inglés).
velocidad, tienen baja pérdida, y con valores de la figura de
Actualmente, utilizando la tecnología de fabricación de
mérito para circuitos digitales (o sea la velocidad de
circuitos superconductores existente (con dimensión mínima
de 1.5 μm y densidades de corriente de 4.5 kA/cm2), la
conmutación multiplicada por la pérdida de potencia por
máxima tasa de muestreo para los ADCs superconductores
ciclo) que son uno o dos órdenes de magnitud más pequeños
está limitada, en principio, a alrededor de 50–60 GHz. En la
que la de los dispositivos semiconductores más rápidos.
práctica, se ha demostrado que estos ADCs superconductores
Una de las principales desventajas de la tecnología digital
son capaces de digitalizar señales hasta cerca de 21 GHz con
de Josephson es que el dispositivo de Josephson es un
un rango dinámico libre de picosx de 53 dB como se muestra
dispositivo de dos terminales sin ganancia. La única
en la Figura 12 [15]. En el futuro, con la reducción de la
propuesta para hacer frente a la falta de ganancia de los
dimensión mínima y con el incremento de las densidades de
dispositivos de Josephson en circuitos digitales es el imponer
corriente críticas (ambas aumentos demostrados en el
un muy estricto control de la variación de los parámetros de
los dispositivos individuales dentro
del chip. Para circuitos con decenas
de miles de dispositivos de Josephson,
¡la distribución 1-σ de la corriente
crítica de los dispositivos de
Josephson debe ser del orden del 1%
o mejor! Ésta es una restricción
dimensional muy rigurosa que hace
una demanda muy grande a la
litografía y al procesamiento de chips
superconductores de obtener chips
funcionales con un rendimiento
reproducible.
Las
restricciones
dimensionales
para los circuitos
digitales
superconductivos
son
mucho más severas que para los
circuitos digitales semiconductores
más avanzados.
Debido
a
las
restricciones
dimensionales y a detalles referentes
a la producción para circuitos de cada
vez más alta complejidad, los que
actualmente son los circuitos de
Josephson más avanzados están
limitados a contener del orden de
decenas de miles de uniones por chip,
Figura 12. Fotografía de un circuito ADC y su respuesta correspondiente a una
comparando con los circuitos
señal de 21 GHz (HYPRES, Inc).
digitales
semiconductores,
que
contienen más de 100 millones de
x
N. del T.: En inglés spur-free.
Mayo de 2009
93
La única propuesta para hacer frente a la falta
de ganancia de los dispositivos de Josephson en
circuitos digitales es el imponer un muy estricto
control de la variación de los parámetros de los
dispositivos individuales dentro del chip.
laboratorio), un rendimiento aún más alto para los ADCs
superconductores estará disponible.
Una de las aplicaciones de estos ADCs en el rango de
frecuencias de microondas que ha sido demostrada es un
receptor de microondas con digitalización directa en la etapa
de entrada. Debido a las limitantes en frecuencia de los ADCs
semiconductores actuales, los receptores convencionales
utilizan amplificadores analógicos seguidos de reductores de
frecuencia antes de que las señales puedan ser digitalizadas.
Sin embargo, si hubiera ADCs disponibles para funcionar en
el rango de frecuencias de entada, los amplificadores
analógicos y los reductores de frecuencia podrían ser
sustituidos por un ADC de alta frecuencia y bajo ruido
directamente a la entrada del receptor. Si fuera posible hacer
la digitalización a la entrada del receptor, justo antes de la
antena, toda la información que procediera de ésta podría ser
capturada y digitalizada sin el ruido y la distorsión que puede
ser introducida en un receptor convencional del amplificador
analógico, los reductores de frecuencia, los canalizadores
analógicos, etc. Tal receptor de microondas con digitalización
directa en la etapa de entrada ha sido demostrado por
HYPRES, Inc., Elmsford, Nueva York (por favor ver la Tabla
1 para más información).
En una máquina real, esta eficiencia es degradada por
pérdidas por fricción entre las partes móviles, pérdidas
eléctricas en el embobinado, etc. Con el paso de los años, la
ingeniería criogénica ha tenido un progreso significativo en el
uso de materiales a prueba de fugas de gas, lo que ha llevado
a una mucha más larga vida útil de los refrigeradores
criogénicos, así como también ha mejorado su rendimiento.
De manera más importante, se han explorado nuevas e
innovadoras maneras de simplificar la suspensión de los
pistones móviles en el cilindro que lleva a cabo la
compresión y expansión del fluido de trabajo. Debido a que
partes del refrigerador deben estar a temperatura criogénica,
el uso de lubricación no es permitido, y se sabe que las
chumaceras en seco brindan un mal soporte y tienen una vida
muy corta. Con el paso de los años, han sido desarrollados un
número de propuestas novedosas e innovadoras para la
suspensión del pistón en el cilindro mientras se minimiza el
contacto, lo que ha llevado a obtener refrigeradores
criogénicos con periodos de vida muy largos. Otras
propuestas, como los enfriadores de cámara con expulsión
pulsadaxi, eliminan completamente las partes móviles en la
parte terminal fría del refrigerador.
La carga criogénica es una medida de qué tanta potencia de
entrada se requiere para producir una determinada cantidad
de enfriamiento a temperatura ambiente y por debajo de ésta.
Puede ser cuantificado mediante el coeficiente de
rendimiento (COP, por sus siglas en inglés) definido como
sigue:
COP
Refrigeración
Como se señaló anteriormente, uno de los principales
obstáculos para el uso de los dispositivos superconductores
fuera del laboratorio ha sido la preocupación (a veces casi
fobia) acerca de la refrigeración criogénica. Todos los
superconductores conocidos deben ser operados a
temperaturas muy por debajo de la temperatura ambiente, y la
refrigeración criogénica tiene la reputación de no ser
confiable, ser difícil de usar, y requerir un alto consumo de
potencia. Esto era probablemente cierto hace 50 años, cuando
la milicia estadounidense comenzó a utilizar refrigeradores
criogénicos pequeños con capacidades de refrigeración de
alrededor de 1 W a temperaturas cercanas a los 80 K para
enfriar detectores infrarrojos. Estos refrigeradores
criogénicos fallaban típicamente después de varios miles de
horas de operación. Desafortunadamente, esta desfavorable
impresión ha perdurado a través del tiempo y persiste hoy en
algunos círculos aún cuando los avances tecnológicos en la
refrigeración criogénica han resuelto estos problemas.
Los ingenieros en criogenia han mejorado dramáticamente la
confiabilidad de los refrigeradores criogénicos. Un refrigerador
criogénico es un dispositivo mecánico, el cual mediante la
compresión y expansión alternada del fluido de trabajo,
usualmente gas de helio, remueve el calor de un punto en el
sistema y lo expulsa al ambiente en otro punto del sistema. La
eficiencia de una máquina como ésta ha sido analizada desde
hace muchos años, y su eficiencia ideal, conocida como la
eficiencia de Carnot, puede ser escrita como sigue:
expulsión
expulsión
94
Mayo de 2009
frío
Potencia de entrada suministrada a la máquina
a la temperatura de expulsión (caliente) .
Calor removido desde la región de temperatura
fría de la máquina
La expresión tiene la misma forma que para la eficiencia
de Carnot pero los valores para el COP son mucho más
grandes debido al rendimiento que no es ideal asociado con
las pérdidas en una máquina real.
Para un refrigerador criogénico operando a 4 K, el COP es
de por lo menos de 3,000 W/W, mientras que a temperaturas
de operación de 77 K, es de sólo 30 W/W. Nótese que el COP
relativo a 77 K es alrededor del 10% el de Carnot, mientras
que a 4 K, es solamente 2% el de Carnot. Entonces, la
operación a 4 K requiere de una potencia de entrada al menos
100 veces mayor, y asociado con este aumento en la potencia
de entrada estaría el aumento correspondiente en el peso y
volumen de la máquina. Esta estimación debe explicar por
qué el descubrimiento de los materiales HTS a finales de la
década de 1980 causó una gran reacción por parte de la
comunidad de superconductores, quienes entendían bien que
esta reducción en la carga criogénica podía acelerar la
introducción de sistemas basados en materiales HTS al
mercado.
La mejor propuesta para incrementar la confiabilidad de
cualquier máquina, como un refrigerador criogénico, es
construyendo muchas unidades con esencialmente las mismas
especificaciones de diseño en un periodo de tiempo, aprender
cuáles fueron los puntos débiles en el diseño que fueron
responsables de los modos de falla que ocurrieron primero, y
entonces corregir estos defectos durante las fases futuras de
manufactura. Para que funcione esta propuesta, uno debe
tener un cliente que quiera un buen número de refrigeradores
.
xi
N. del T.: En inglés se les conoce como pulse-tube coolers.
criogénicos dentro de un periodo de tiempo. STI estaba en
esta posición cuando se necesitaron potencias de enfriamiento
más altas que las que típicamente se requerían para
aplicaciones en el rango infrarrojo con enfriamiento
criogénico. Estas potencias superiores eran para los sistemas
de filtros HTS usadas en las redes de telecomunicación
inalámbrica. STI obtuvo la autorización para usar el concepto
de diseño de un refrigerador criogénico de SunPower, Inc.
(en Atenas, Ohio) y comenzó a construirlos en cantidad.
Inicialmente, los refrigeradores criogénicos construidos por
STI fallaron típicamente después de varios miles de horas de
operación. Pero con un re-diseño cuidadoso y diligente
desarrollaron un refrigerador criogénico adecuado para
aplicaciones con sistemas de filtros HTS para estaciones base
que tiene estadísticas de confiabilidad muy impresionantes.
Para 2007, STI ha distribuido más de 6,000 sistemas que han
acumulado más de 200,000,000 de horas de operación. Cada
refrigerador criogénico, en promedio ha operado alrededor de
cuatro años. El número de fallas para el sistema completo fue
tal que el tiempo medio antes de falla (MTBF, por sus siglas
en inglés) puede deducirse que es mayor a 500,000 horas para
el sistema. Este MTBF corresponde a una tasa de fallas de
una por año por cada 100 refrigeradores operando. Nótese
que esta tasa de fallas para el sistema completo, incluye el
refrigerador criogénico, el contenedor criogénico, los filtros
HTS, y la electrónica convencional para el control de la
operación del sistema inalámbrico. De acuerdo con STI,
muchas de las fallas reportadas se asociaron con los
componentes eléctricos convencionales como tarjetas de
circuitos y ventiladores. Ésta es una excelente demostración
de que, con una demanda lo suficientemente grande y
técnicas cuidadosas de diseño y manufactura, pueden hacerse
disponibles en el mercado comercial refrigeradores
criogénicos altamente confiables, y entonces la fobia a la
criogenia será cosa del pasado en las mentes de los usuarios
potenciales de la superconductividad.
Conclusiones
La superconductividad puede tener un impacto impresionante
en el rendimiento de dispositivos pasivos y activos operando
dentro de la región de microondas y ondas milimétricas del
espectro. En estos rangos de frecuencia,
1) las perdidas eléctricas de los superconductores son
significativamente menores que las pérdidas para la
metalización conductiva normal en aplicaciones de
dispositivos y componentes,
2) la tecnología de dispositivos superconductores de
Josephson tiene una baja pérdida inherente y ha
demostrado su operación a más de 700 GHz.
En años recientes ha habido mucho progreso en la
explotación de la superconductividad en sistemas selectos de
microondas y ondas milimétricas. Durante una sesión (ver
Tabla 1) en el IMS 2009 a llevarse a cabo en Boston en junio
de 2009, habrá presentaciones relacionadas con los siguientes
logros:
1) el uso de HTSs en filtros con transición abrupta y
de muy baja pérdida en sistemas de filtrado para la
etapa
de
entrada en telecomunicaciones
inalámbricas, los cuales se emplean para rechazar
la interferencia fuera de la banda y reducir el ruido
dentro de ella
2) el uso de cavidades de niobio tridimensionales y
con alta Q a temperaturas de operación de 1.8 K
para los elementos de aceleración en todos los
aceleradores de partículas HEP de las generaciones
presentes y futuras
3) el uso de la transición abrupta entre el estado de
superconducción y el estado normal como un
bolómetro sensible en sistemas de adquisición de
imágenes en el rango de ondas milimétricas para
aplicarse en la detección de objetos ocultos debajo
de la ropa para la seguridad nacional
4) el uso de ADCs superconductores en las etapas de
entrada de receptores de microondas (justo antes de
la antena) para digitalizar la señal entrante y
proveer de capacidades de extracción de señal
enriquecidas.
Adicionalmente a los avances en la tecnología electrónica
de superconductores, ha habido progreso en la comunidad de
refrigeración criogénica que permite ahora hacer disponibles
sistemas criogénicos de refrigeración confiables y con un
consumo eficiente de energía, los cuales permitirán mitigar
los problemas asociados al uso de los sistemas criogénicos
por las comunidades de ingeniería electrónica.
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95