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

нии 3—3 аммиака находится не более 6 % молекул и что только около 1 % от всех вылетевших из первой камеры мо­ лекул достигает резонатора. Мощность генератора при таких интенсивностях пучка имеет величину порядка 10_ш Вт.

Если условие самовозбуждения не выполняется, прибор будет работать как усилитель мощности с малым коэффи­ циентом шума.

Наиболее важной характеристикой молекулярного гене­ ратора является стабильность генерируемой им частоты. Эта величина обычно характеризуется относительной нестабиль-

Величину Av находят за определенный период времени и со­ ответственно различают относительную нестабильность ча­ стоты за 1 секунду, минуту, час и т. д.

В электронных приборах СВЧ стабильность частоты опре­

В молекулярных генераторах сочетаются две резонанс­ ные системы — молекулы и объемного резонатора. Если квантовый генератор работает в режиме малых амплитуд и при небольших расстройках резонатора, то в первом прибли­ жении его частота v определяется по формуле

Отсюда видно, что при одной и той же расстройке резо­ натора относительно частоты vo уход частоты будет тем мень­ ше, чем больше добротность линии и меньше добротность резонатора. Поэтому для увеличения стабильности частоты молекулярного генератора следует стремиться уменьшать ширину спектральной линии Avn и использовать малодоброт­ ные резонаторы. Однако в последнем случае затрудняется возбуждение генератора и на практике все же используют максимально достижимые добротности резонатора.

Высокая стабильность молекулярных квантовых генера­ торов достигается в основном за счет малой ширины линии Avn- В реальных условиях ширина линии молекул аммиака в генераторе составляет 3-=-5 кГц, что соответствует относи­ тельной ширине (I—2) • Ю~ 7 и добротности линии (0,5—

107

Соответственно и влияние расстройки резонатора на стабиль­ ность частоты генератора ослабляется во столько же раз. Однако оно остается достаточно большим, и достижение вы­ сокой стабильности частоты генератора возможно только в том случае, если стабилизировать во времени и частоту резонатора. На частоту молекулярного генератора оказы­ вают некоторое влияние интенсивность молекулярного пучка и величина напряжения на сортирующей системе. Поэтому для достижения высокой стабильности частоты молекуляр­ ного генератора необходимо стабилизировать также интен­ сивность молекулярного пучка и напряжение на сортирую­ щей системе или работать на линии 3— 2 аммиака либо на изотопном аммиаке 1 5 NH3, где влияние указанных факторов

гораздо меньше.

Важно обеспечить не только высокую стабильность ча­ стоты работающего генератора, но и высокую воспроизводи­ мость частоты от настройки к настройке, а также между раз­ личными образцами приборов одного типа. Во всех случаях воспроизводимость частоты генератора при работе на линиях с более простой структурой лучше (например, линия 3— 2 или линии изотопного аммиака 1 5 NH3).

При соблюдении всех мер, обеспечивающих стабильность частоты молекулярного генератора, она может быть доведена до величин порядка КП11. Воспроизводимость частоты двух однотипных генераторов при работе на линии 3—2 достигает значений в (2—3) • 10-11. При работе на линии 3—3 в одно­ пучковом генераторе' это расхождение значительно больше. Несовпадение частот различных по конструкции генераторов на аммиаке из-за влияния режима работы на форму линии

может доходить до 1 0 - 8 —1 0 ~9.

Так как другие типы квантовых стандартов частоты обла­ дают значительно лучшей воспроизводимостью частоты, то применение молекулярного генератора на аммиаке в каче­ стве эталона частоты не представляется рациональным. В то же время высокая стабильность частоты каждого конкрет­ ного образца генератора и хорошая воспроизводимость ча­ стоты от одного включения к другому'позволяют применять генератор в качестве радиоспектроскопа с высокой разре­

шающей способностью.

Из других типов пучковых молекулярных генераторов наиболее изучен молекулярный генератор на синильной кис­ лоте (HCN) и формальдегиде (НгС’Ю16). В молекулах HCN используется переход между первым возбужденным враща­

108

тельным состоянием и основным вращательным состоянием, длина волны которого лежит в районе 3,4 мм. В генераторе на формальдегиде "Также используются переходы между раз­ личными уровнями вращательного движения, длина волны которых лежит в области 4,14 мм. Оба генератора представ­ ляют интерес прежде всего как квантовые генераторы милли­ метрового диапазона длин волн.

Г л а в а 12

Генератор на пучке атомов водорода

Для работы водородного генератора используется пере­

тор работает на частоте порядка 1420 МГц (длина волны око­

ло 2 1 см).

Схема устройства генератора показана на рис. 53. Атомы водорода из источника атомарного пучка 1 попадают в сорти­ рующую систему 2, в которой (аналогично аммиачному гене­ ратору) атомы, находящиеся в возбужденном состоянии

о

няются в сторону. После прохождения сортирующей систе­ мы, благодаря действию которой в пучке атомов создается инверсное состояние, атомы поступают в накопительную кол­ бу 3, расположенную внутри резонатора 5, имеющего вывод

энергии 4.

Для получения атомарного водорода обычно использует­ ся высокочастотный разряд в водороде при давлении поряд­ ка 0,1—0,5 мм рт. ст. Выход пучка осуществляется через си­ стему каналов длиной 1 —1,5 мм и диаметром около 0,1 мм. Имеющиеся источники позволяют получить интенсивность пучка 1 0 16—Ю17 атомов в секунду.

109

Так как возбужденные и невозбужденные атомы водорода отличаются величиной суммарного магнитного момента, то для их пространственного разделения применяется неодно­ родное магнитное поле (а не электрическое, как в аммиач­ ном генераторе). Такое поле создается с помощью шести­ польного магнита. Магнитное поле в этой системе увеличи­ вается от центра к краям, что и обеспечивает эффект сортировки, аналогичный рассмотренному в аммиачном гене­ раторе. При исходной интенсивности пучка в Ю16—1017 ато­ мов в секунду после прохождения сортирующей системы пучок возбужденных атомов имеет интенсивность 1 0 12—1 0 13 атомов

в секунду.

Накопительная камера представляет собой кварцевую колбу с узким входным отверстием, стенки камеры покрыты фторопластом (тефлоном). Возбужденные атомы водорода могут выдержать до 1 0 5 столкновений с такими стенками без изменения своего состояния. Соответственно с этим и вели­ чина входного отверстия подбирается таким образом, чтобы атом водорода, попадая в камеру, вылетел обратно через входное окно, только претерпев такое же по порядку количе­ ство столкновений. Применение такой накопительной камеры позволяет значительно уверичить время жизни атома в воз­ бужденном состоянии и довести его до величины порядка секунды. Этим решаются одновременно две задачи: умень­ шается ширина спектральной линии и облегчается самовоз­ буждение генератора. В аммиачном генераторе время про­

родном генераторе эти же величины составляют всего 0,3—

меньше, чем энергия взаимодействия элёктрического диполь­ ного момента молекул аммиака с электрическим полем. По­ этому при равном времени взаимодействия для самовозбуж­ дения водородного генератора потребовалась бы гораздо большая интенсивность пучка, что технически реализовать нельзя. За счет большого времени взаимодействия атомов водорода с высокочастотным полем резонатора возбуждение водородного генератора делается возможным при интенсив­ ности пучка в 1 0 12— 1 0 13 атомов в секунду, которая может

110