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

Основными параметрами, характеризующими стандарт частоты, являются стабильность и воспроизводимость его ча­ стоты. Первая величина характеризует относительную неста­ бильность частоты во времени, вторая — относительное откло­ нение частоты от номинального значения для различных об­ разцов стандарта и при неоднократных включениях.

Квантовые стандарты частоты, используемые в качестве эталонов частоты и времени, выполняются, как и все эта­ лоны, особенно тщательно и эксплуатируются так, чтобы све­ сти до минимума влияние внешних факторов на частоту стандарта.

Рассмотрим устройство и принцип работы цезиевого атомно-лучевого стандарта частоты.

В этом стандарте в качестве пассивного частотного репера применяется атомно-лучевая трубка с пучком атомов 133 Cs. Для работы трубки использован переход между уровнями сверхтонкой структуры атомов 1 3 3 Cs, обусловленный влия­ нием магнитного момента ядра. У атомов 133Cs квантовое чи­ сло I, характеризующее спин ядра, равно 7/2, а суммарное спиновое квантовое число электронной оболочки 5 = 1 /2 . Со­ ответственно квантовое число, характеризующее суммарный спиновой момент количества движения атома F, имеет два значения:

F = 4, М р = 0 на уровень F = 3, М р = 0. Этому переходу со­

ответствует частота vo = 9192631770,0 Гц.

Схематическое устройство атомно-лучевой трубки пока­ зано на рис. 54, а. Атомы Cs из источника 1 вылетают в при­ бор через узкий щелевидный канал. Благодаря этому созда­ ется ленточный пучок атомов, движущийся вдоль оси при­ бора. Пучок проходит через область неоднородного магнит­ ного поля 2а, через U-образный pte30HaT0p 3 и через вторую (подобную первой) область магнитного поля 26. За этой областью размещается накаленная вольфрамовая нить 4, которая выполняет роль индикатора. Атом цезия, попав на поверхность нити, отдает свой электрон и покидает поверх­ ность в виде положительного иона Cs+. Вероятность иони­ зации атомов цезия достаточно велика, так как потенциал ионизации цезия, равный 3,87 эВ, меньше, чем работа выхода

1 1 2

вольфрама (4,5 эВ). Образующиеся ионы цезия направля­ ются к коллектору 5, который находится под отрицательным потенциалом по отношению к вольфрамовой нити. Ток в це­ пи коллектора пропорционален числу атомов цезия, попав­

ших на вольфрамовую нить.

На рис. 54,6 показан характер траекторий атомов цезия в атомно-лучевой трубке. При анализе траекторий следует иметь в виду, что атомы цезия в состояниях (4,0) и (3,0),

S S

проходя области неоднородного магнитного поля, отклоня­ ются им в разные стороны (аналогично процессам сортиров­ ки атомов в водородном генераторе). Если невозбужденные

ходя область неоднородного магнитного поля 2а, он откло­ нится вверх. Если в резонаторе колебания отсутствуют, то атом в том же состоянии (3,0) попадет в область неоднород­ ного магнитного поля 26 и вновь отклонится вверх (сплош­ ная линия /). В результате атом не попадет на вольфрамо­ вую нить. Атом цезия, вылетевший из источника в состоянии (4 ,0 ) в верхнюю полуплоскость, описывает аналогичную тра­ екторию (сплошная линия II) и также на нить не попадает.

Пусть теперь в резонаторе поддерживаются колебания на

глотив квант излучения, возбудиться и перейти в состояние: (4,0). Попав после этого в область 26, атом отклонится те­

разность населенностей возбужденных атомов и невозбужденных). В этом заключается одна из причин высокой чувст­ вительности, цезиевой атомно-лучевой трубки.

Для уменьшения влияния времени пррлета атомов цезия на ширину спектральной линии можно использовать резона­ торы с протяженной однородной областью взаимодействия или U-образные резонаторы с двумя областями взаимодей­ ствия. В последнем случае каждому из взаимодействий со­ ответствует более широкая линия; суммарному взаимодейст­ вию соответствует спектральная линия сложной формы, ча­ стотная характеристика' которой представлена на рис. 55. Ширина центрального пика линии, по которому производит­ ся настройка в резонанс, составляет всего 200—300 Гц. Благо­ даря высокой чувствительности атомно-лучевой трубки, по­ зволяющей уменьшить влияние шумов аппаратуры на изме­ рения, удается зафиксировать положение вершины линии с точностью до сотых долей герца, т. е. с относительной по-

грешностью Дч

114

В качестве активного генератора в цезиевом атомно­ лучевом стандарте обычно используется ламповый генератор, стабилизированный кварцем. Система автоматической под­ стройки частоты все время подстраивает частоту колебаний кварцевого генератора по максимуму тока коллектора цезие­ вой трубки.

Рубидиевые стандарты частоты обеспечивают относитель­ ную стабильность частоты порядка 1 0 “9, т. е. значительно мень­ шую, чем цезиевый атомно-лучевой стандарт. Однако они бо­ лее портативны и более устойчивы к механическим воздейст­ виям.

Р а з д е л V

КВАНТОВЫЕ ПАРАМАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Г л а в а 14

Рабочие вещества квантовых парамагнитных усилителей

Квантовые парамагнитные усилители (КПУ) были исто­ рически вторыми приборами, работа которых основана на явлении вынужденного излучения. В качестве рабочих ве­ ществ в КПУ используются кристаллы с примесью пара­ магнитных ионов — парамагнитные кристаллы; при этом имеются в виду именно ионы, а не атомы примеси активного вещества, поскольку атомы примеси в кристалле находятся в ионизированном состоянии. Причина этого состоит в том, чт'о ионы в кристаллах подвергаются воздействию сильных электрических полей. Вследствие этого уровни энергии иона расщепляются. Любой реальный кристалл всегда в той или иной степени неоднороден. Поэтому и расщепление уровней активных ионов в разных местах кристалла различно. В ре­ зультате уровень энергии для кристалла в целом как бы размывается. Такой кристалл поглощает излучение уже не на строго определенной частоте, а в целой полосе частот. Наличие таких полос поглощения особенно важно для работы твердотельных лазеров.

Величина штарковского расщепления различна для раз­ личных уровней. Вследствие этого сильное «размытие» дают только те уровни, которые сильно расщепляются в поле кри­ сталлической решетки. Штарковское расщепление уровней также важно для работы квантовых парамагнитных усили­ телей. Благодаря воздействию кристаллической решетки уровни энергии активных парамагнитных ионов еще до воз­ действия внешнего магнитного поля расщепляются на /+ 1

или /4-1/2 подуровень. Величина этого так называемого «на­ чального расщепления» во многом определяет частоту, на которой может работать квантовый усилитель. Кроме того, поле кристаллической решетки так воздействует-на электрон­ ное облако активного иона, что в нем влияние орбитального момента практически подавляется. Для таких ионов можно принять, что L = 0 и J = S, т. е. суммарный момент количества движения определяется суммарным спиновым моментом.

ния электронного парамагнитного резонанса.

§ 14.1. Процессы релаксации. Общая характеристика про­ цессов релаксации и их роли для квантовых приборов была дана в § 8.4.

В рабочих веществах КПУ различают три основных вида релаксации: спин-решеточную (продольную) релаксацию, спин-спиновую (поперечную) релаксацию и кросс-релакса­ цию (перекрестную).

С п и н - р е ш е т о ч н а я р е л а к с а ц и я обусловлена вза­ имодействием возбужденных ионов с кристаллической решет­ кой. Именно этот тип взаимодействия является одной из главных причин разрушения инверсного состояния в рабочих веществах КПУ. Поэтому рабочие вещества КПУ должны обладать достаточно большим временем спин-решеточной релаксации Т{. Этого можно достигнуть только при охлаж­ дении рабочего вещества до сверхнизких температур, близких

116

к температуре жидкого гелия. В области сверхнизких темпе­ ратур время 7] обратно пропорционально первой степени аб­

солютной температуры T i ~ - L ; при более высоких темпера­

турах порядка 50—70 К зависимость от температуры стано­

вится более сильной 7V---- ■

Возбуждение парамагнитных ионов в КПУ достигается с помощью воздействия на вещество вспомогательного излу­ чения накачки. Работа при температурах, более высоких, чем температура жидкого гелия (например, жидкого азота), принципиально возможна, но требует применения особых ве­ ществ и большой мощности накачки. В этом состоит одна из причин того, что практически все КПУ работают при темпе­ ратуре жидкого гелия. В наиболее употребительном веществе

действием между парамагнитными ионами. Каждый ион име­ ет магнитный момент и создает вокруг себя постоянное и переменное магнитные поля, которые воздействуют на сосед­ ние ионы. Переменное поле обусловлено прецессией магнит­ ного момента иона вокруг направления внешнего магнитного поля и характеризует уровень энергии иона. Благодаря взаимодействию переменных магнитных полей ионов возмо­ жен обмен энергией между ними и передача энергии от воз­ бужденного иона невозбужденному. Среднее время, необхо­ димое для такой передачи энергии, называется временем спин-спиновой релаксации. Так как обычно 72 <CTi, то время спин-спиновой релаксации определяет время жизни возбуж­ денных ионов, а следовательно, и ширину линии излучения вещества. Если в каком-либо месте рабочего вещества воз­ никает неравновесное состояние, то благодаря спин-спино- вому взаимодействию и в силу того, что 72 <С7Ь возбуждение сначала распространяется на весь объем, а уже потом все вещество вернется к равновесному состоянию за счет спинрешеточной релаксации. Время спин-спиновой релаксации за­ висит в первую очередь от концентрации активных ионов, поскольку этим определяется расстояние между соседними

ионами.

Каждую пару уровней энергии, между которыми возмо­ жен переход с излучением или поглощением фотона, обычно называют с п и н о в о й с и с т е мо й . Все сказанное о спин­

117

спиновом взаимодействии относится к взаимодействию ионов одной и той же спиновой системы.

К р о с с - р е л а к с а ц и я обусловлена взаимодействием между различными спиновыми системами. Пусть одна спино­ вая система характеризуется энергией W2 и Wi (соответст­ венно для верхнего и нижнего состояний), а вторая — энер­ гиями W4 и # 3. При определенных условиях возможна пере­ дача энергии от иона с энергией Wг иону с энергией W$, ко­ торый за счет-,этого переходит в состояние W4, а исходный ион переходит в состояние W Вероятность этого процесса максимальна, если разности уровней энергии равны друг дру­ гу, и быстро убывает по мере расхождения этих разностей. За счет кросс-релаксации число возбужденных ионов в рабо­ чей спиновой системе будет уменьшаться и инверсное состоя­ ние будет разрушаться. Среднее время взаимодействия ионов, при котором происходит передача энергии, называется временем кросс-релаксации 7К. Время кросс-релаксации бы­ стро уменьшается с увеличением концентрации парамагнит­ ных ионов. Поэтому для каждого вещества есть предельная концентрация, при которой это время еще достаточно велико, чтобы работа КПУ была возможна. Для КПУ на рубине, | работающем при температуре жидкого гелия, это соответст­ вует концентрации ионов порядка 0,3%. Явление кросс­ релаксации существенно ограничивает концентрацию ионов в рабочих веществах КПУ. Если в рабочем веществе име­ ются не один, а два типа парамагнитных ионов, то явление кросс-релаксации может также иметь место за счет взаимо­ действия спиновых систем различных ионов.

§ 14.2. Методы создания инверсного состояния. Первые КПУ работали по двухуровневой схеме, когда для создания инверсной населенности рабочего перехода использовались только уровни энергии самого перехода. Такие КПУ не на­ шли применения, так как требовали импульсной накачки и их параметры менялись в течение рабочего импульса.

В КПУ для создания инверсной населенности чаще всего используются трехуровневые системы. Принимая во внима­ ние результаты их рассмотрения в § 9.1, выясним особенно­ сти создания инверсного состояния в КПУ диапазона СВЧ.

На рабочее вещество, обладающее нужными тремя уров­ нями с энергией Wu W2 и (см. рис. 44), воздействуют излу­ чением с частотой, соответствующей переходу между первым

и третьим уровнями V31 = ---- — . С помощью накачки пара­

магнитные ионы возбуждаются и переходят с нижнего уров­ ня на третий. Если статистические веса уровней энергии оди-

118