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

наковы, то процессы вынужденного излучения и поглощения равновероятны. Поэтому при достаточно большой накачке населенности первого и третьего уровней будут одинаковы. Пусть населенности уровней в состоянии термодинамического

рые рассматриваются ниже, населенность третьего уровня п3 окажется больше населенности второго уровня п2, т. е. будет иметь место инверсное состояние, которое может быть ис­ пользовано для работы усилителя на частоте v32. За счет взаимодействия с кристаллической решеткой ионы могут со­ вершать переходы не только с третьего уровня на первый, но и с третьего на второй и со второго на первый. Пусть соответ­ ствующие времена спин-решеточной релаксации будут Тзи Т32, Т2\. Очевидно, создание инверсии облегчается, если T32> T 2i, так как в этом случае накопление населенности третьего уровня облегчается и, наоборот, второй уровень быстро очи­ щается от находящихся на нем ионов.

Рассмотрим, каким должно быть расположение второго уровня, чтобы была возможна работа по разбираемой схеме,

Иначе говоря, для диапазона СВЧ населенность уровней убы­ вает по обычному линейному закону.

Пусть

W2 - Wx = mbW,

где величина m определяет положение второго уровня. Тогда

119

Для получения инверсии необходимо соблюдение неравенства

или

т. е. второй уровень должен лежать выше середины между

с большим временем спин-решеточной релаксации и с мень­ шей частотой перехода.

Создание инверсии облегчается при понижении темпера­ туры. Это объясняется не только большим увеличением вре­ мени спин-решеточной релаксации, но и уменьшением исход­ ной населенности второго уровня N2, за счет чего неравен­

ство (14.3) усиливается.

§ 14.3. Общие требования к рабочим веществам КПУ. Типы рабочих реществ КПУ. Рабочее вещество должно обла­ дать подходящим набором уровней, который обеспечивает работу на нужной частоте и достаточно удобную частоту на­ качки. Уровней должно быть не менее двух, но и не слишком много, так как иначе много ионов будет находиться на не­

120

рабочих уровнях. Обычно нужный набор уровней может полу­ читься только при наличии начального расщепления уровней энергии иона в поле кристаллической решетки. Величина этого начального расщепления должна быть близка к часто­ те сигнала. Время спин-решеточной релаксации должно быть достаточно большим, чтобы КПУ мог работать при приемле­ мых мощностях генератора накачки.

Уровни энергии не должны быть расщеплены или сильно уширены за счет влияния магнитного момента ядра или за счет сильной неоднородности кристалла.

Рабочее вещество должно быть холодостойким и выдер­ живать периодические охлаждения до температуры жидкого гелия, обладать достаточной химической инертностью и и влагостойкостью, допускать механическую обработку.

Рабочие вещества КПУ содержат парамагнитные ионы, находящиеся в виде примеси в кристалле. Парамагнитными свойствами обладают ионы так называемых переходных групп системы Менделеева. У ионов этих групп при заполнен­ ной внешней оболочке имеется незаполненная внутренняя оболочка. В результате этого магнитный момент иона не ра­ вен нулю, поэтому ион обладает парамагнитными свойст­ вами. Всего имеется 5 переходных групп, которые содержат 48 элементов. Из числа этих элементов нужно за непригод­ ностью исключить ионы, имеющие суммарный спин 1/2 и со­ ответственно только 2 уровня, а также элементы, распрост­ раненные изотопы которых имеют ядерный спин. Следует также исключить ионы очень редких и радиоактивных эле­ ментов, ионы, дающие малое время спин-решеточной релак­ сации и ионы, дающие малое нулевое расщепление. В резуль­ тате наиболее подходящими оказываются трехзарядные ионы хрома Сг3+, гадолиния Gd3+ и железа Fe3+. Из приведенной ниже таблицы видно, что лучшее число уровней энергии име­

Наиболее употребительным рабочим веществом КПУ является рубин, представляющий собой кристалл корунда

121

АЬОз, в котором часть ионов А13+ замещена ионами Сг3+. Чаще всего используется рубин с примесью около 0,05% Сг3+ (бледно-розовый рубин). Увеличение концентрации ионов хрома вызывает рост кросс-релаксационных процессов и за­ трудняет работу КПУ. Кристаллы рубина легко изготавли­ ваются из расплава, обладают хорошей холодоустойчиво­ стью, не гигроскопичны; допускают механическую обработку.

Выше было рассмотрено расщепление уровней энергии парамагнитных ионов под влиянием магнитного поля (см. рис. 38). На рис. 56 показан характер этого расщепления для ионов со спином 3/2, введенных в кристаллическую решетку.

Меняя величину напряженности внешнего магнитного по­ ля и угол между направлением магнитного поля и осью кри­ сталла, можно получить большое количество трехуровневых систем с разными частотами сигнала и накачки. Практиче­ ски с помощью рубиновых КПУ может быть перекрыт весь сантиметровый и коротковолновая часть дециметрового диа­

пазона длин волн.

Ширина спектральной линии рубина зависит от концент­ рации ионов и варьируется в пределах 50—75 МГц (первая цифра относится к светло-розовым рубинам с малой кон­ центрацией хрома, вторая к темно-красным рубинам с содер­

жанием хрома до 0,3—0,5%).

Для работы в области' миллиметровых волн нужно иметь большее начальное расщепление, чем в рубине, и соответст­ венно более широко расщепленную систему уровней при тех же значениях магнитного поля. С этой целью используется ряд рабочих веществ. Рутил ТЮ2 используется с ионами Сг3+

дает начальное расщепление на 3 уровня). Ионы Сг3+ исполь­ зуются в примеси к кристаллам берилла (изумруда). На­ чальное расщепление равно при этом 53,5 ГГц.

Все перечисленные вещества удовлетворяют комплексу требований, предъявляемых к рабочим веществам КПУ.

Г л а в а 15

Типы и конструкции КПУ

Для практического осуществления КПУ парамагнитный кристалл следует поместить в постоянное магнитное поле, охладить до температуры, близкой к абсолютному нулю, и подать на него электромагнитные поля сигнала и накачки.

Взаимодействие этих полей с кристаллом обеспечивается в объемном резонаторе или волноводе. В зависимости от ти­

122