Файл: Страховский Г.М. Основы квантовой электроники учеб. пособие.pdf

сигнала частота вспомогательного излучения меняется слабо. Так, при изменении длины волны сигнала от 10 до 30 см длина волны вспо­

лителя на кристалле рубина, когда для усиления используется пере­ ход 2—1, а сигнал вспомогательного излучения приложен к переходу

и уменьшение населенности уровня 2. Для усиления используется пе­ реход 3—2.

Кроме выбора рабочего вещества (кристалла), при конструирова­ нии квантового парамагнитного усилителя возникает ряд других воп­ росов: конструкция резонатора — для резонаторного усилителя или конструкция замедляющей системы — для усилителя бегущей волны, проблема охлаждения рабочего вещества, устройство магнита.

Резонаторы. Конструкция резонатора зависит как от свойств пара­ магнитного кристалла, так и от рабочего диапазона длин волн. Напри­ мер, в дециметровом и длинноволновой части сантиметрового диапа­ зона обычно используется отрезок передающей линии с волной типа ТЕМ, причем наиболее подходящим является четвертьволновой резо­ натор полоскового типа. На рис. 5.6 показан эскиз резонатора полоско­ вого типа квантового парамагнитного усилителя на частоту 9000 Мгц. Резонаторы полоскового типа предпочтительнее для квантовых уси­ лителей, так как в них проще обеспечить большой коэффициент запол-

155

нения. Важно также, что резонаторы полоскового типа очень удобно помещать между полюсами магнита.

Замедляющие системы. Замедляющие системы подразделяются на геометрические и резонаторные; оба эти типа используются в кванто­ вых парамагничных усилителях бегущей волны. Замедление бегущей волны в усилителе происходит и постольку, поскольку сами парамаг­ нитные кристаллы обладают большой диэлектрической проницаемо­ стью.

Наиболее часто применяются замедляющие системы резонаторного типа. На рис. 5.7 показан эксиз одной из систем такого типа —• штыревая замедляющая система.

Она обладает большим замедлением групповой скорости, широкополосностью, малыми потерями, а также обеспечивает однонаправ­ ленное распространение бегущей волны. Штыревая замедляющая система также удобна для возбуждения в рабочем объеме колебаний вспомогательного излучения.

Охлаждение рабочего вещества. Необходимость охлаждения рабо­ чего вещества вызвана тремя причинами: 1) как отмечалось [см. обсуж­ дение формулы (5.47)], с уменьшением температуры растет инверсная населенность между рабочими уровнями; 2) только при очень низких температурах парамагнитные кристаллы обладают достаточно боль­ шими временами спин-решеточной релаксации, позволяющими при имеющихся источниках вспомогательного излучения создавать насы­ щение на вспомогательном переходе; 3) уровень собственных шумовусилителя падает с уменьшением температуры.

Хотя есть сообщения о запуске парамагнитных усилителей при тем­ пературе жидкого азота и жидкого кислорода, но большинство уси­ лителей работает при температуре жидкого гелия (4,2° К — при ат­ мосферном давлении и 1,5 ~ 2° К — при откачке паров гелия до дав­ ления 4-^-24 мм рт. cm).

156

Для охлаждения парамагнитного усилителя применяются специаль­ ные дюары — двойные стеклянные сосуды. Внешний сосуд заполняет­ ся жидким азотом, внутренний—жидким гелием. В эксплуатационных условиях применяются либо безазотные металлические криостаты, либо гелиевые ожижители непрерывного действия с замкнутым циклом.

Магниты для квантовых усилителей. Постоянное магнитное поле в квантовом усилителе служит для получения нужного расщепления между энергетическими уровнями. Правда, можно использовать для усилителя кристаллы, в которых в отсутствие внешнего магнитного поля за счет внутрикристаллического поля уровни энергии расщеп­ лены. Тогда внешнего магнитного поля не нужно, но работа усилителя происходит на строго фиксированной частоте. Например, реализован усилитель, в котором использованы энергетические уровни иона же­ леза в корунде: частота сигнала 11,9 Ггц, частота вспомогательного излучения 31,3 Ггц.

Магниты для квантовых усилителей должны обеспечивать достаточ­ но однородное и стабильное магнитное поле в объеме, занимаемом рабочим веществом. В лабораторных условиях применяют большие электромагниты весом в несколько сот килограммов. После того как выбран рабочий режим активного вещества, возможно применение го­ раздо меньших постоянных магнитов.

В ряде установок применены магниты со сверхпроводящими об­ мотками.

§ 5.6. Применение квантовых парамагнитных усилителей

В настоящее время разработаны квантовые парамагнитные усили­ тели в диапазоне длин волн от Я = 3,1 мм до К = 1 м. В табл. 5.2 при­ ведены данные о некоторых, сравнительно недавно разработанных уси­ лителях.

157

Г Л А В А 6

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

§ 6.1. Пучковые квантовые генераторы радиодиапазона

Первым устройством, положившим начало квантовой электронике, явился квантовый генератор на пучке молекул аммиака N l 4 H 3 (К =

=1,25 см). Он был разработан независимо и почти одновременно

(1954—1955 гг.) в Физическом институте им. П. Н. Лебедева Академии наук СССР Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым и в Колумбийском уни­ верситете (США) группой в составе Ч. Таунса, Дж. Гордона, X. Цайгера.

В отечественной литературе установка получила название «моле­ кулярный генератор», поэтому часто вместо пучковых квантовых ге­ нераторов говорят «молекулярные генераторы». В зарубежной литера­ туре эта же установка была названа «мазер». Сейчас слово «мазер» используется для обозначения не только квантового генератора на пучке молекул аммиака, но любого квантового генератора или усили­

те л я радиодиапазона.

Внастоящее время, кроме квантового генератора на пучке молекул аммиака, существуют и другие, из которых наиболее важным является квантовый генератор на пучке атомов водорода.

Пучковые квантовые генераторы отличаются малой мощностью выходного излучения (для генератора на пучке молекул аммиака она составляет 10~10 Ю - 1 1 вт), высокой монохроматичностью излуче­ ния и высокой стабильностью частоты. Поэтому основная область их применения — высокоточные частотные измерения. Особенно широко пучковые генераторы используются для эталонов и стандартов вре­ мени и частоты. Кроме того, они используются в особо тонких радио­ спектроскопических измерениях.

159