Файл: Кацман, Ю. А. Электронные и квантовые приборы сверхвысоких частот учебное пособие.pdf

пого момента ядра и электронов. Число этих ориентаций определяется с учетом того, что проекция полного момента

—F до +F.

Переходы между компонентами сверхтонкой структуры

определяются правилами отбора.

Рассмотрим в качестве примера сверхтонкую структуру

стоте v~1420 МГц. Этот переход и зеемановское расщепле­ ние уровней используются для создания квантового стандар­ та частоты на водородном генераторе. Излучение водорода на частоте 1420 МГц широко используется в радиоастрономии.

У молекул обычно полный момент электронов /= 0 , по­ этому сверхтонкое расщепление обусловлено взаимодейст­ вием электронов с квадрупольным моментом ядра.

Р а з д е л IV

КВАНТОВЫЕ ПРИБОРЫ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ НА АТОМНО­ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ПУЧКАХ И КВАНТОВЫЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ

Глава 11

Генератор на пучке молекул аммиака

Квантовый генератор на пучке молекул аммиака NH3 был первым активным квантовым прибором, генерация в котором

101

создавалась путем использования вынужденного излучения в инверсной среде.

Молекула аммиака имеет форму симметричного волчка — правильной трехгранной пирамиды, в вершине которой нахо­ дится атом азота, а в вершинах основания — атомы водорода.

Нметрии. Установлено, что атом азота, колеблясь около своего положения равнове­ сия, может периодически

щается в свое зеркальное изображение. Такой переход назы­

гии молекулы от положения атома азота. Как видно, эта кривая симметрична относительно плоскости атомов водоро­

10 2

спектр молекулы: вместо двух независимых колебательных уровней с одинаковой энергией W в каждом минимуме полу­ чаются два близких энергетических уровня Wi и W2, общих для обоих минимумов,— происходит инверсионное расщепле­ ние уровней; это и показано на рис. 50.

Как уже говорилось, каждому уровню колебательной энергии соответствует ряд вращательных подуровней. При расщеплении колебательного уровня расщепляются и все вращательные подуровни. Поэтому в молекулярном генера­ торе на пучке молекул аммиака используются переходы ме­ жду невозбужденным и инверсным состояниями вращатель­ ных подуровней. Частота перехода, хотя и не столь значи­ тельно, но зависит от выбора вращательного уровня. Энер­ гия вращательного движения молекул типа симметричного волчка, к которым относится молекулл NH3, зависит от кван­ товых чисел /* и К. Число / определяет вращательный мо­ мент количества движения молекулы, а число К — его проек­ цию на ось симметрии молекулы. При этом число К прини­

1,3 см).

Спектральные линии инверсионных переходов имеют сверх­ тонкую структуру, связанную с влиянием квадрупольного мо­ мента ядра азота N14. От положения квадрупольного момен­ та ядра азота во внутримолекулярном электрическом поле несколько изменяется энергия молекулы . и соответственно расщепляются уровни энергии и спектральные линии. Так, например, линия 3—3 расщепляется на компоненты, отстоя­ щие по частоте на величину перехода 1 кГц. Это обстоятель­ ство усложняет настройку молекулярного генератора при ра­ боте на этой линии. Из всех линий обычного аммиака N14H3 исключением является линия 3—2 , для которой расщепления не наблюдается. Однако эта линия менее интенсивна. Так как ядро изотопа азота 15N не обладает квадрупольным мо­ ментом, рассматриваемого расщепления можно избежать, используя изотоп аммиака 15ЫНз.

Рассмотрим устройство и принцип работы генератора на пучке молекул .аммиака.

* Не путать с квантовым числом /, характеризующим полный мо­ мент количества движения атома.

103

Устройство генератора схематически показано на рис. 51. Источником молекулярного пучка является камера 1, запол­ ненная аммиаком при давлении порядка 0,1 мм рт. ст. Вы­ ходное отверстие камеры состоит из ряда узких каналов, па­ раллельных оси прибора. Благодаря этому из камеры выле­ тают только те молекулы, которые движутся параллельно оси или под небольшим углом к ней. Для уменьшения рас­ хождения пучка на его пути ставится диафрагма 2. Давление в общей камере прибора, где проходит молекулярный пу­ чок,. поддерживается на уровне 10~ 5 мм рт. ст. При таком

Рис. 51

давлении длина свободного пробега молекул больше разме­ ров прибора, и столкновением молекул в пучке можно пре­ небречь. После диафрагмы молекулы попадают в сортирую­ щую систему 3. Здесь возбужденные молекулы, находящиеся в верхнем состоянии инверсного перехода, отклоняются к оси системы (фокусируются), а молекулы, находящиеся в не­ возбужденном нижнем состоянии инверсного перехода откло­ няются от оси (расфокусируются). Благодаря этому в пучке молекул аммиака создается инверсное состояние, при кото­ ром число возбужденных молекул превышает число не­ возбужденных. Пучок молёкул с инверсной населенностью попадает далее в резонатор 4, который настраивается на ча­ стоту рабочего инверсного перехода. Среда, находящаяся в инверсном состоянии, усиливает колебания за счет явления вынужденного излучения. Поэтому, если усиление инверсной среды в резонаторе при движении электромагнитной волны от одной отражающей стенки к другой превысит потери энер­ гии в волне за это же время, то произойдет самовозбуждение молекулярного генератора. Необходимый для работы при­ бора вакуум поддерживается с помощью насоса, откачиваю­

104

щего прибор через патрубок 5, а также путем «выморажива­ ния» аммиака с помощью контура 6, охлаждаемого жидким азотом. Без этой последней меры пришлось бы применять насосы с очень, большими скоростями откачки (до Ю5 л/с).

Сортирующая система молекулярного генератора обычно выполняется в виде квадрупольного конденсатора. Сечение конденсатора и конфигурация электрического поля в нем показаны на рис. 52. Область наиболее слабого поля лежит на оси конденсатора, наиболее сильного — у его краев, там, где располагаются стержни, образующие конденсатор. По­ этому все возбужденные молекулы будут двигаться в сто­

личением напряжения, на ее электродах, так как при этом возрастает неоднородность электрического

поля. Поэтому молекулярный генератор начинает работать только с некоторого пускового значения напряжения на сор­

тирующей системе.

В отношении самовозбуждения генератора следует отме­ тить, что нарастание колебаний будет происходить до тех пор, пока процессы приращения энергии волны за счет уси­ ления и уменьшения за счет потерь в резонаторе не уравня­ ются. Равенство наступает за счет падения усиления из-за уменьшения степени инверсии (т. е. избыточной населенно­ сти верхнего уровня энергии по сравнению с нижним), кото­ рое, в свою очередь, является следствием увеличения числа

.актов вынужденного излучения при нарастании колебаний. Потери в резонаторе для облегчения самовозбуждения ста­ раются по возможности уменьшить, т. е. добиваются наи­ большей добротности, хотя это и не всегда выгодно с точки зрения повышения стабильности частоты генератора. Одна­ ко даже теоретические значения добротности для употреби­ тельных типов колебаний не превышают 2 - 1 0 4.

Таким образом, условие самовозбуждения молекулярного генератора, при котором мощность колебаний в резонаторе растет до величины, определяемой эффектом насыщения,

105-

а запасенная энергия равномерно распределена по объему резонатора Vo и равна

частотного поля, при которой время жизни молекул в воз­ бужденном состоянии равно времени пролета молекулами

Полученное соотношение позволяет найти число активных молекул, пролетающих через резонатор в единицу времени при заданной добротности резонатора или, исходя из имею­ щейся интенсивности пучка, определить требуемую величину

добротности.

Как уже указывалось выше, обычно добротность бывает

2 - 10й молекул в секунду. Такой поток возбужденных моле­ кул обеспечивается при интенсивности исходного потока из источника пучка порядка 1018 молекул в секунду. Это объ­ ясняется тем, что в исходном пучке во вращательном состоя­

106