Файл: Федоров, Н. Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ учебник.pdf

полный момент количества движения атома, а квантовое число mF— проекцию этого момента.

В магнитном поле отклоняющего магнита из всех 16 уровней сверхтонкой структуры атомов цезия энергия семи уровней увеличи­ вается, семи уровней уменьшается, а оставшихся двух практически не зависит от поля, если оно невелико. Таким образом, все атомы,

стота которого совпадает с частотой энергетического перехода со­ стояний ’(4, 0) и (3, 0). Под воздействием СВЧ-поля атомы могут совершить вынужденные переходы. Если атом Л2 перейдет из со­ стояния (4, 0) в состояние (3, 0), то во втором магните изменится знак силы и этот атом отклонится коси прибора. Аналогично переход атома Л з из состояния (3, 0) в состояние (4, 0) сопровождается от­ клонением его к оси. Соответствующие траектории показаны на

(4, 0) при прохождении СВЧ-поля резонатора.

В атомно-лучевом стандарте резонатор возбуждается от вспомо­ гательного СВЧ-генератора, частота которого /г может плавно из­

225

меняться в некоторых пределах. В процессе изменения частоты /г ток детектора изменяется таким образом, что его максимальное значение наступает при совпадении частоты /г с частотой энергети­ ческого перехода ѵ0 между состояниями (4, 0) и (3, 0) (см. рис. 13.4). Эту зависимость можно использовать для создания схемы автомати­ ческой подстройки частоты генератора под частоту перехода ѵ0.

Некоторые характеристики атомно-лучевого стандарта на пучке атомов цезия приведены в табл. 8. Относительная стабильность его лучше 2 • ІО-13 за сутки и 5 • ІО“11 за 1 с. Стандарт имеет высокую воспроизводимость частоты (±3 • ІО -12).

§ 13.2. Активные стандарты частоты

Молекулярный генератор на аммиаке. Схема этого генератора показана на рис. 13.5, а. Направленный поток молекул аммиака создается в вакууме (ІО-5—ІО-6 мм рт. ст.) после прохождения ими большого числа тонких каналов на выходе источника. В источник газ подводится из баллона. Давление в источнике 10~2—ІО'3 мм рт. ст.

В молекулярном генераторе инверсия населенностей достига­ ется с помощью квадрупольного конденсатора, который отделяет молекулы, находящиеся на верхнем уровне, от молекул, находя­ щихся на нижнем уровне.

Сеч. по АА

+

ö

Квадрупольный конденсатор (см. рис. 13.5, б) состоит из че­ тырех параллельно расположенных металлических стержней. Про­ тивоположные стержни имеют одинаковые по знаку потенциалы. Электрическое поле между стержнями максимально вблизи стержней и равно нулю на оси симметрии.

Пучок молекул аммиака вводится вдоль оси 00' квадрупольного конденсатора. Так как молекула аммиака поляризуется в электри­ ческом поле, то она взаимодействует с полем квадрупольного кон­ денсатора. Движение поляризованных молекул в электрическом поле подобно движению атомов, обладающих магнитным моментом, в магнитном поле.

226

Решая уравнение Шредингера, можно определить зависимость энергии частицы от напряженности электрического поля. Разность между энергией при наличии поля $ и без него ё 0 равна потенциаль­ ной энергии. Частица, находящаяся на верхнем энергетическом уровне, увеличивает энергию с ростом напряженности поля, а на нижнем — уменьшает.

Зависимость энергии от напряженности поля показана на рис. 13.6. На молекулу в неоднородном электрическом поле квадрупольного конденсатора действует сила

с энергией нижнего уровня. Поэтому на выходе конденсатора кон­ центрация возбужденных молекул около оси больше концентрации невозбужденных молекул, т. е. получается инверсия населенностей уровней. Рассмотренный метод получения инверсии населенности в газе называют методом сортировки. Центральная часть пучка с ин­ версией населенностей попадает через входное отверстие внутрь резо­ натора, настроенного на частоту рабочего перехода, соответствую­ щего положению уровней ё 2о и $м ПРИ Е = 0 (см. рис. 13.6).

Преобладание при инверсии населенностей вынужденных пере­ ходов молекул с излучением энергии над переходами с поглощением энергии приведет к самовозбуждению колебаний в резонаторе, если рост энергии превышает потери в системе.

Расчеты и измерения показывают, что амплитуда стационарного поля соответствует очень малой мощности аммиачного генератора (около ІО-10 Вт).

Стабильность частоты молекулярного генератора зависит от ши­ рины спектральной линии перехода, точности настройки резонатора на частоту перехода, интенсивности молекулярного пучка и ее из­ менения и некоторых других факторов.

Ширина спектральной линии больше естественной ширины линии в результате соударения молекул, эффекта Допплера и влияния вре­ мени пролета молекул в резонаторе. Однако в молекулярных гене­ раторах естественная ширина линии пренебрежимо мала из-за малой вероятности спонтанных переходов в диапазоне радиочастот. Поэто­ му основное внимание следует обращать на ослабление влияния фак­ торов, приводящих к уширению линии. Вследствие высокого ваку­ ума в приборе соударениями можно пренебречь.

227

Изменение частоты излучения вследствие эффекта Допплера опре­ деляется формулой (10.28) и равно нулю при бесконечно большой фазовой скорости. Обычно в молекулярных генераторах используют цилиндрический резонатор, ось которого совпадает с осью пучка. Резонатор рассчитывается на возбуждение колебаний типа £ 010

соднородным электрическим полем вдоль оси. Фаза колебаний вдоль осевых силовых линий поля постоянна, т. е. фазовая скорость по направлению оси бесконечно велика и эффект Допплера отсут­ ствует. Установлено, что основным фактором, определяющим ши­ рину спектральной линии, является время взаимодействия молекул

сСВЧ-полем резонатора. Ширина линии уменьшается с ростом вре­

мени пролета, которое зависит от длины резонатора и скорости частиц. Поэтому необходимо увеличивать длину резонатора и умень­ шать скорость молекул. Такой же эффект, как при увеличении вре­ мени пролета, можно получить при использовании двух последова­ тельно расположенных резонаторов или изогнутого волновода, при­ меняемого в атомно-лучевом стандарте (см. рис. 13.3).

В результате совместного влияния эффекта Допплера и времени пролета относительное изменение частоты молекулярного генерато­ ра составляет около ±10 -11.

Другие активные квантовые стандарты частоты. Из других активных стандартов следует отметить молекулярные генераторы на синильной кислоте и формальдегиде и генератор на пучке атомов водорода.

Для получения инверсии населенности уровней методом сорти­ ровки используют неоднородные магнитные поля, создаваемые мно­ гополюсными магнитами. Форма полюсов подобна форме стержней в квадрупольном конденсаторе молекулярного генератора на аммиаке.

Схема водородного генератора показана на рис. 13.7. Атомарный водород образуется в камере источника в результате диссоциации молекул водорода в разряде. Пучок атомов входит в сортирующую

228

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Дулин В. Н. Электронные и квантовые приборы СВЧ. Изд. 2-е, перерабо­ танное. М., «Энергия», 1972*.

Дулин В. Н. Электронные приборы. Изд. 2-е. М., «Энергия», 1969. Хлебников Н. Н. Электронные приборы. М., «Связь», 1966.

Лебедев И. В. Техника и приборы сверхвысоких частот. Т. I. Изд. 2-е. М., «Высшая школа», 1970.

Лебедев И. В. Техника и приборы сверхвысоких частот. Т. II. Изд. 2-е, М., «Высшая школа», 1972*.

Сретенский В. Н. Основы применения электронных приборов сверхвысо­ ких частот. М., «Советское радио», 1963.

Шевчик В. Н. Основы электроники сверхвысоких частот. М., «Советское

Стальмахов В. С. Основы электроники сверхвысокочастотных приборов со скрещенными полями. М., «Советское радио», 1963.

Гайдук В. И., Палатов К. И., Петров Д. М. Физические основы электро­ ники сверхвысоких частот. М., «Советское радио», 1971.

Тагер А. С., Вальд-Перлов В. М. Лавинно-пролетные диоды и их примене­ ние в технике СВЧ. М., «Советское радио», 1968. СВЧ-полупроводниковые приборы и их применение. Под ред. Г. Уотсона. Пер. с англ. М., «Мир», 1972.

Шевцов Э. А. Квантовые приборы. М., ВЗЭИС, 1968.

Дьяков В. А. Введение в квантовую электронику. М., «Энергия», 1969. Ищенко Е. Ф., Климков Ю. М. Оптические квантовые генераторы. М., «Советское радио», 1968.

Елецкий А. В., Смирнов Б. М. Газовые лазеры. М., Атомиздат, 1971. Бирнбаум Дж. Оптические квантовые генераторы. Пер. с англ. М., «Советское радио», 1967.

Микаэлян А. Л., Тер-Микаэлян М. Л., Турков Ю. П. Оптические кванто­ вые генераторы на твердом теле. М., «Советское радио», 1967.

Григорьянц В. В., Жаботинский М. Е., Золин В. Ф. Квантовые стандарты частоты. М., «Наука», 1968.

* Вышла после сдачи рукописи учебника в издательство.

230