3. Устройство парамагнитных усилителей

Двухуровневый усилитель. Рассмотрим подробнее, как накачка

создает инверсию населенности при наличии двух уровней. Накач­ка представляет собой мощное электромагнитное излучение, часто­та к-рого совпадает с частотой интересующего нас (рабочего) перехо­да. Т. к. до накачки населенность нижнего уровня N_B была больше, чем верхнего iV_B,TO в первый момент после включения мощной на­качки поглощение квантов накачки преобладает над их вынужден­ным испусканием.

Иными словами, вынужденные переходы «вверх» преобладают над вынужденными переходами «вниз», т. е. кристалл будет погло­щать энергию накачки. В результате населенность нижнего уровня N_H уменьшится, а верхнего N_B возрастет. Если вовремя прекра­тить накачку (см. ниже), то переход окажется инвертиро­ванным— количество ионов на верхнем уровне окажется

большим, чем на нижнем. Такой «накаченный» кристалл может

быть использован для усиления электромагнитных волн, частота к-рых равна частоте инвертированного перехода.

Однако в процессе усиления, т. е. при каждом акте вынужден­ного испускания, ионы переходят с верхнего уровня на нижний. Поэтому созданная накачкой инверсная разность на­селенностей, а вместе с ней и усиление уменьшаются и по­степенно исчезают. Далее необходим новый цикл накачки. Т. о., в системе, имеющей только два уровня энергии, нельзя получить постоянную во времени инверсную разность населенностей, а сле­довательно, и постоянное усиление. В таких системах необходимо чередовать накачку, переводящую ионы в возбужденное состояние, и усиление. Совместить во времени оба процесса нельзя, т. к. на­качивающее излучение должно иметь ту же частоту, что и усили­ваемый сигнал.

Описанный механизм накачки в двухуровневом усилителе в действительности гораздо сложнее. Дело в том, что ионы не могут

взаимодействовать с накачкой как свободные частицы, к-рых на­качка «забрасывает вверх». В парамагнитных кристаллах избыточ­ные вынужденные переходы «вверх», приводящие к инверсии населенностей, непрерывно компенсируются безызлучательными ре­лаксационными переходами «вниз» и обменом энергией между са­мими ионами. Эти процессы стремятся восстановить тепловое равно­весие системы (см. Парамагнитная релаксация). Поэтому, если мощность накачки мала и нужные нам вынужденные переходы «вверх» происходят редко (в частности, реже, чем релаксационные

_ГШ

переходы), то накачка не сможет достаточно сильно нарушить тепловое равновесие системы и не приведет к инверсии населенно-

стей.

Только при достаточно мощной накачке, когда вынужденные переходы «вверх» происходят чаще, чем релаксационные переходы и обмен энергией между ионами, можно считать, что в первый

момент после включения накачки каждый ион взаимодействует

с накачкой сам по себе независимо от решетки и др. ионов. В этом случае практически все ионы, находившиеся на нижнем уровне, совершают вынужденный переход «вверх». Аналогично ионы, на­ходившиеся на верхнем уровне, совершают при этом переход «вниз». Инвертированная разность населенностей, получаемая в результате этого, будет почти равна по величине и обратна по знаку равно­весной разности населенностей (рис. 10). В дальнейшем, если дей­ствие накачки не прекращается, она заставляет каждую частицу последовательно переходить с одного уровня на другой и обратно. Поэтому разность населенностей уровней меняется периодически, проходя через нуль.

Разность

населенностей¹

О

ш

и исчезает, но разность населенностей все больше стремится к нулю —

происходит насыщение.

i

ид'-

ж

■■-.йлт

Однако если продолжать накачку длительно, то амплитуда коле­баний разности населенностей AN постепенно уменьшится до О

из-за действия релаксационных процессов. Период колебаний за­висит от мощности накачки, а время затухания определяется вре­менем парамагнитной релаксации и взаимодействием ионов друг

с другом, т. е. концентрацией парамагнитных ионов.

Итак, длительное действие мощной накачки не дает инверсии. Оно приводит лишь к выравниванию населенностей уровней N_B = _н или, как говорят, к насыщению перехода (см. Насыщения эффект). Из всего сказанного следует, что для получения наиболь­шего усиления следует выключать накачку в момент t_l9 когда инверсия максимальна (рис. 10). Такой короткий импульс накачки, меняющий разность населенностей уровней на обратную, наз. 1 8 0 °-м импульсом. Новый инвертирующий импульс может быть включен только после того, как система ионов снова придет в состояние теплового равновесия с решеткой, на что требуется

время, превышающее время парамагнитной релаксации. На этом заканчивается полный цикл работы двухуровневого усилителя. При этом оказывается, что продолжительность процесса усиления в та­ком усилителе составляет малую долю полного цикла его работы (рис. И).

Двухуровневые усилители не нашли широкого применения. Причина - сложность импульсной накачки и непостоянство коэфф. усиления во времени. Для большинства же применений необходим непрерывный режим усиления.

Трехуровневый усилитель. Наиболее эффективным и удобным

для квантового усиления оказался метод инверсии

в системе с тремя уровнями энергии, предложенный Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым. Частицы, обладающие тремя магнитными подуровнями, подвергаются воздействию сильной накачки, частота к-рой соответствует переходу между самым нижним из них ё'_±

и самым верхним е5°з (рис. 12). Через нек-рое время, значительно

Рис. 12. В системе с тремя уровнями энергии можно получить инверсию, насыщая'накачкой переход между уровнями и <£₃. На одном из переходов 6% - <§_г или <з-₂ - #₃ образуется инверсия населенностей.

превосходящее уровней ё_х

и (оз

населенности

время парамагнитной релаксации, населенности сравняются, N_х — N_:i. Населенность среднего

уровня $2 при этом вовсе не обязана быть равной

уровня N_x =-= N_s. Более того, если населенность промежуточного

уровня N1 отлична от населенностей уровней ё\ и #₃, к-рые засе­лены одинаково, то один из переходов to* — (оо и ё\ — (ол обяза­тельно окажется инвертированным. Посмотрим, к-рый из них.

Между переходами — (о о и ё°о— (о_л происходит своего рода соревнование. Тот переход, к-рый находится в лучшем «контакте» с решеткой, т. е. где чаще происходят релаксационные переходы и для к-рого меньше время релаксации t_v будет иметь меньшее

Отклонение от равновесной разности населенностей. Инверсия обра­зуется на переходе с большим временем парамагнитной релаксации и с меньшей частотой перехода (рис. 13).

А N

Рис. 13. Распределение населенно­стей в системе с тремя уровнями: а — при тепловом равновесии си­стемы ионов с решеткой; б - щш нарушении теплового равновесия

_{з^н^ЖЖ н}^У_а^Р_к°а~

it N

2

-Л е ^к Т

Ш,

-ч £

Инверсия

'Наначнс

Энергия уровней

Равновесную AiVp, а следовательно, и инвертированную AN_n

разность населенностей можно увеличить, понижая абс. темп-ру

кристалла. Понижение теми-ры, кроме того, очень сильно увели­чивает время парамагнитной релаксации, тем самым снижая мощ­ность накачки, необходимой для насыщения перехода е_х — ё°з-■Поэтому достаточную для создания эффективных усилителей ин­версную разность населенностей AN_U удается получить только при глубоком охлаждении кристалла. Обычно К. у. работают при теми-рах 4,2 — 1,5 К, т. е. при темп-pax жидкого гелия. Лишь нек-рые конструкции могут работать при темп-рах 77 К (темп-ра жидкого азота) и даже до 190 К (темп-pa твердой окиси углерода), но они менее эффективны.

Для парамагнитных ионов, имеющих более чем три магнитных подуровня, также можно получить инверсию населенностей на одном из переходов, подавая накачку на частоте др. перехода. При этом не обязательно должны непосредственно затрагиваться все уровни. Нек-рые уровни энергии могут не участвовать в обра­зовании переходов, на к-рые подается накачка или на к-рых осу­ществляется усиление. Но все населенные уровни в той или иной степени влияют на инверсию населенностей, т. к. они участвуют в релаксационных процессах.

.! В первых трехуровневых усилителях использовались кристаллы :э т и л с у л ь ф а т а лантана [La (C₂H₅S0₄)₃ • 9 Н₂0] с при­месью парамагнитных ионов гадолиния и церия, а также кристаллы гексацианида калия — кобальта [К₃Со (GN)_e] с примесью ионов Сг. Впоследствии стало ясно, что рубин как активное вещество для К. у. по всем основным свойствам намного превосходит эти ве­щества. Почти все существующие К. у, дециметрового и санти­метрового диапазона изготовлены с применением рубина.

Наиболее эффективные режимы использования рубина в К. у. Указаны на рис. 9, б и в стрелками. Симметричное расположение Магнитных уровней Сг при ориентации магнитного поля под углом

_If¹

6 = 54,7° к оси кристалла делает возможным непосредственное использование всех четырех уровней. Действительно, частоты пе­реходов б\ — (о з и ё\ — ё°₄ совпадают для всех значений постоян­ного магнитного поля. Если эти переходы насыщать накачкой,

го СО & ф

6 4

это

то один из остальных четырех переходов в« — ©ч, «, — ь±, & ч — иди S. - в₂ обязательно окажется инвертированным. Обычно бывает переход ё\ - в*

Наибольшая инверсия достигается на переходе ё\

Кристалл рубина в магнитном поле, ориентированном пол, углом в = 54,7° к оси кристалла, широко применяется для уси ления в диапазоне длин волн — 3—5 см. Для волн с А,>5 см можно работать при различных ориентациях магнитного поля относительно оси кристалла. Особенно выделяются два режима при в = 90° (рис. 9, в). Один из них реализуется в слабом магнитном поле. При этом накачка насыщает практически совпадающие переходы ё\ — (о ± и $ * — $\. Усиление происходит на переходе — $*. " - ^m б „ если

накачка производится на частоте перехода е₉ — Лили <о_л — й,. Но уровни 0 л и S°o в слабых магнитных полях расщепляются очень слабо, поэтому необходимы большие магнитные поля. Трудности, связанные с этим, все же окупаются существенным увеличением инверсии и связанным с этим улучшением парамет-

ров К. у.

С увеличением частоты (уменьшением длины волны) усиливае­мого сигнала приходится увеличивать постоянное магнитное поле (рис. 9). Все же недостаточно большое расщепление уровней полем кристалла не позволяет применять рубин для усиления волн с Я<1 см. Уже исследовано много др. материалов, пригодных для К. у. миллиметрогых волн, напр. изумруд [BeaAL (SiO_s)_fi], рутил (ТЮ₂) и вольфраматы магния, цинка и кадмия (MgW0₄ ZnWO.

и CdW0₄) с примесями трехвалентных ионов хрома и железа.

Из всего огромного разнообразия кристаллов и парамагнитных ионов лишь немногие сочетания оказались пригодными для К. у. Это обусловлено жесткими требованиями, предъявляемыми к кри­сталлам: 1) необходимо, чтобы ионы имели более чем два магнитных подуровня; 2) число уровней не должно быть слишком большим,

иначе населенности уровней, непосредственно участвующих в обра­зовании рабочего перехода, окажутся слишком малыми и не удастся

получить достаточно большой инверсной разности населенностей,

т. е. большого усиления; 3) ядро парамагнитного иона не должно иметь собственного магнитного момента; взаимодействие магнит­ного момента ядра иона с магнитным моментом неспаренного элек­трона приводит к дополнительному расщеплению магнитных под­уровней; 4) нежелательны также случаи, когда парамагнитные

ионы занимают в кристаллич. решетке неодинаковые положения и имеют различные энергетич. спектры; 5) парамагнитная релак­сация должна происходить достаточно медленно, чтобы можно было ограничиваться небольшой мощностью накачки и, следовательно, небольшим расходом жидкого гелия для охлаждения.

Коэффициент усиления парамагнитных усилителей. Однорезо-наторный усилитель. Итак, принцип работы К. у. сводится к тому,

что усиливаемая электромагнитная волна, распространяясь в

тивном кристалле, вызывает в нем вынужденное

испускание квантов полностью совпадающих по

фазе и направленности с квантами вынуждающего излучения,

Это и создает усиление первичной волны. Естественно, что чем больше размеры кристалла, тем больше вынужденных переходов

произойдет на пути волны, т. е. тем больше усиление. При этом нарастание амплитуды электромагнитной волны Е при прохождении

через кристалл происходит по закону:

К = E₀e^az. (3)

Здесь Е₀ — амплитуда входящей волны (е = 2,7 — основание натуральных логарифмов), z — путь, к-рый волна прошла в кри­сталле. Величина а, характеризующая усилительные свойства кристалла, наз. коэфф. квантового усиления. Численно а - величина, обратная расстоянию, к-рое необходимо пройти волне, чтобы ее амплитуда выросла в е раз. Поэтому коэфф. квантового усиления имеет размерность см¹. Величина а тем больше, чем больше инверсная разность населенностей магнитных подуровней парамагнитного иона AiV = Л^г_в — N_E и чем чаще про­исходят вынужденные переходы между инвертированными подуров­нями, соответствующие частоте усиливаемого сигнала. Усиление уве­личивается с ростом концентрации парамагнитных ионов в кри­сталле и с уменьшением ширины спектральной линии A v. Удается получить активные кристаллы с а = 3 • 10 ²-X"¹. При этом увеличе­ние амплитуды волны в 10 раз требует расстояний ^ 100 Я. Напр., для К = 3 см (рубин) расстояния 3 м. Однако кристаллы таких размеров практически неосуществимы.

Необходимые размеры активных кристаллов могут быть умень­шены во много раз, если к.-л. путем удается увеличить время

взаимодействия волны с кристаллом. Для этого необходимо поме­стить парамагнитные кристаллы в устройство, задерживающее и на­капливающее электромагнитное излучение, напр. в объемный ре­зонатор, о к-ром уже упоминалось выше. В резонаторе электро­магнитные волны, отражаясь от его стенок, образуют стоячие волны и длительно взаимодействуют с парамагнитными ионами. Амплитуда стоячих волн в резонаторе резко зависит от частоты электромагнитных колебаний. При этом форма и размеры резо­натора определяют ту частоту волны, для к-рой амплитуда стоя­чих волн максимальна или, как говорят, собственную частоту резонатора (подробнее см. Объемный резонатор).

В первых усилителях использовался один резонатор, возбуждаю­щийся одновременно на двух частотах — частоте усиливаемого сигнала и частоте накачки. Последнее существенно, т. к. делает накачку более эффективной и позволяет уменьшить ее мощность. §. Резонатор (рис. 14), заполненный активным веществом, помещен в постоянное магнитное поле, создаваемое полюсами магнита 1 5. Для охлаждения резонатор с кристаллом погружен в жидкий |. гелий 7.

f Усиливаемый сигнал из антенны 1 поступает в распределитель­ное устройство 2, наз. циркуля тором. Последний имеет три входа, или плеча. Сигнал, поступающий на плечо I, передается только

в волновод, подключенный к плечу //, а сигнал, поступивший

на плечо //, передается только в плечо ///. Аналогично, сигнал, поступивший в плечо III, передается только в плечо /. Посту­пивший из антенны сигнал, пройдя из первого плеча во второе,

попадает в резонатор. в резонаторе при многократном

прохождении через кристалл сигнал возвращается в циркулятор

■ -fit;."-

ft:

и, пройдя па его второго плеча в третье, попадает на вход поело дующих частей приемного устройства. Т. о., циркулятор служи i для разделения входа и выхода однорезонаторного К. у. Такои К. у. наз. отражательным.

Рис. 14. Одгюрезонаторный отражательный усилитель: 1 - 'антенна; 2 - циркулятор; I,

³ _Г-^Ре_и³_Гч^Т_н°и^Р_к

Как уже говорилось ранее, коэфф. усиления однорезонаторного К. у. определяется усиливающими свойствами парамагнитного кри­сталла и потерями электромагнитной энергии в резонаторе, гл. обр. за счет излучения через отверстие связи, соединяющее резо­натор с волноводом. Потери в стенках резонатора и в самом ак­тивном веществе в реальных К. у. с избытком компенсируются усилением и не играют существенной роли. Усиливаемый сигнал попадает в резонатор К. у. через отверстие связи. Нек-рое время сигнал, находясь в резонаторе, взаимодействует с парамагнитным

веществом. Результатом этого взаимодействия является усиление.

Через то же самое отверстие связи усиленный сигнал выходит из резонатора. Чем меньше отверстие связи, тем дольше взаимо­действие сигнала с веществом и тем больше коэфф. усиления.

Увеличение времени пребывания волны в резонаторе делает невозможным усиление быстро изменяющихся сигналов. Это озна чает, что с увеличением коэфф. усиления однорезонаторного К. у уменьшается его полоса пропускания. Для К. у. с одним резона гором соблюдается приблизительное соотношение:

(4)

где К_{) — коэфф. усиления усилителя на резонансной частоте v₀ спектральной линии, Av — полоса пропускания усилителя. Ясно. что чем больше а, тем больше произведение коэфф. усиления К. у. на его полосу пропускания Av. Коэфф. квантового усиления а для веществ, обычно применяемых в К. у., не может быть сделан много больше 1/100 X. При обычном коэфф. усиления K_Q - 10 полоса пропускания однорезонаторного К. у. Av не превышает 0,2% от резонансной частоты v₀, что значительно меньше ширины перехода между магнитными подуровнями Av, определяющей верхний пре дел ширины полосы пропускания К. у.

Т. о., введение резонатора в конструкцию К. у., с одной сто роны, увеличивает коэфф. усиления, с др. стороны, во столько же

квантовый усилитель

81

трех резонаторов, чтобы полоса пропускания к ширине спектральной линии.

1 I.

Sfe­

раз уменьшает его полосу пропускания. Благодаря этому одноре-зонаторные К. у. не получили широкого распространения.

Вход

Выход

Цирнулятор

Отверстия связи

М ногорезонаторные усилители. Оказалось, что можно сохранить большой коэфф. усиления при широкой полосе пропускания, уве­личив число резонаторов. Суще­ствует два типа многорезонатор­ные К. у. - усилители отража­тельного типа (с циркулятором, рис. 15) и усилители п р о х о д-ного типа, в к-рых волна рас­пространяется вдоль цепочки резо­наторов, заполненных активным веществом (рис. 16). В каждом резонаторе при значительной полосе пропускания усиление

невелико, но усиление

^Р1_у^с_{илителя}^Схе_о^м_{тражттельно1го}^а_7и⁾_па^ОГО

дециметровых волн достаточно

также приблизилась

Выход-

Вход

м ожет достичь приемлемых вели­чин. Оказалось, что в диапазоне сантиметровых волн уже двух-резонаторный отражат. усили­тель на рубине при К_а = 100 име­ет полосу пропускания Av - 40 Мгц, при ширине спектральной линии Av_MaKC ^ 60 Мгц. Для

Ьс^гв. $~ы f оТлЗ^Ь1|руг^Цео^Пт^ОЧд^Кр°уга ^ товыми элементами 2/пропускающими волну только в одном направлении.

Як

_т.

Многорезонаторные усилители отражательного типа негро- моздки. По размерам они мало отличаются от однорезонаторных. Основным их недостатком является сложность перестройки ча- стоты, т. к. необходимо одновременно менять частоту возбуждения большого числа резонаторов, что представляет трудности.

В проходных К. у. резонаторы соединены друг с другом ф е р-р и т о в ы м и невзаимными элементами. Под действием постоянного магнитного поля ферриты приобретают свойство пропускать почти без потерь волну в одном направлении, поглощая волну, распространяющуюся в обратном направлении (см. Ферриты). Проходные многорезонаторные К. у. очень сложны.

Они состоят из большого числа деталей и требуют тщательной настройки. Кроме того, они громоздки и нуждаются в большой

мощности накачки.

Квантовые усилители бегущей волны. Время взаимодействия волны с веществом можно увеличивать, применяя вместо системы резонаторов т. и. замедляющие структуры. Скорость распространения волны вдоль такой структуры во много раз меньше скорости распространения волны в обычном волноводе или в сво-

4

Квантовая электроника

11ШГ

бодном пространстве. Соответственно увеличивается и время взаи­модействия волны с парамагнитным кристаллом, а следовательно, и ее усиление при прохождении каждого см длины кристалла. Существенно, что замедляющие структуры широкополосны и не нуждаются в настройке. Это дает возможность перестраивать ча­стоту К. у. изменением величины магнитного поля. К. у. с замед­ляющей структурой получили название усилителей б е г у-щ ей волн ы.

Замедляющие структуры разнообразны. Наиболее часто в К. у. применяется металлич. гребенка, по обе стороны к-рой расположены парамагнитные кристаллы (рис. 17). Колебания, возбуждаемые в крайнем зубце — резонаторе, передаются от со­седа к соседу вдоль всей гребенки в виде бегущих волн, замедленных и 50-200 раз (см. Замедляющие структуры).

Рис. 17. Схема квантового усилителя бегущей волны: 1 - металлическая

_{к? ГрГ=го} ^Че_Тр„с&

удален).

Наружный отражающий металлич. чехол ограничивает объем, занимаемый электромагнитным полем волны, распространяющейся вдоль гребенки. Одновременно он служит волноводом, по к-рому накачка подводится к парамагнитному веществу. Крайние зубцы

гребенки связаны с волноводами, образующими вход и выход К. у.

Волны, отразившиеся на неоднородностях замедляющей струк­туры, в частности на ее конце, взаимодействуют с волнами, рас­пространяющимися в прямом направлении, и образуют стоячие волны. Это нарушает работу усилителя бегущей волны. Для поглощения отраженных волн в замедляющей структуре разме­щаются детали из феррита (3 на рис. 17). Они пропускают волну, распространяющуюся вдоль структуры в нужном направлении, и поглощают отраженные волны. Ферритовые детали могут иметь форму шариков и дисков, запрессованных в диэлектрике, или

представлять собой бруски. Как и активное вещество, ферритовые

детали располагаются вблизи основания зубцов гребенки, где

сосредоточено магнитное поле замедленной электромагнитной волны. Величина и форма парамагнитных брусков и ферритов подбираются

так, чтобы поглощение обратной волны в феррите превышало ее усиление. Благодаря этому усиливается только волна, распростра­няющаяся от входа усилителя к его выходу (см. Ферриты).

Полоса пропускания Av К. у. бегущей волны велика. Она связана с его коэфф. усиления К₀ зависимостью:

A v = Av_vi |/

(5)

где А\?_л — ширина спектральной линии. При обычных значениях коэфф. усиления К. у. бегущей волны К ^ 100—1000, его полоса пропускания всего в 2—3 раза меньше ширины спектральной линии и значительно превосходит полосу пропускания однорезона-торного К. у. (рис. 18).

а

126

с: О

о Ю

о о

о

_t

_f

п^ис^скан⁸ия

ньхх усилителей различных типов от их коэффициентов усиления К₀ для К = 21 см- 1 - для одноре-зонаторного усилителя; 2 — для двухрсзонаторных; 3 — трехрезо-наторных; 4 -для усилителя бе­гущей волны.

Мггц

1
	ч	ч
г			—L

_{О 6 12 18 24 10\gKQ}

Иоэффициент усиления

т.

I:

ч

Щ т,

% #"

ж.

■S-f

Х-

П одавление стоячих волн ферритом делает К. у. бегущей волны более стабильным по сравнению с резонаторными усилителями. С др. стороны, размеры гребенки К. у.'больше размеров резонатора. Поэтому для них требуются парамагнитные монокристаллы боль­ших размеров. Связанное с этим увеличение объема, в к-ром не­обходимо поддерживать однородное магнитное поле, вынуждает увеличивать размеры и вес магнита и размеры криостата. Создание инверсии населенностей в большом (по объему) кристалле требует большой мощности накачки, что в свою очередь приводит к увеличению расхода жидкого гелия. Т. о., преимущества К. у. бегущей волны частично сводятся на нет его недостатками. Все же в уси­лителях бегущей волны удается получить коэфф. усиления К₀= 100 при не слишком больших разме­рах усилителя (до 10 см). Такую систему можно без труда разместить в обычном гелиевом крио-стате.

—жид-гелий;

рубаш-киГГ

жидкий азот.

Охлаждение. Охлаждение К. у. производится жидким гелием в спец. двойных сосудах Дюара — криостатах. Обычно внутренний сосуд с жидким гелием 1 окружен рубашкой 2, охлаждаемой жид­ким азотом (рис. 19). Темп-pa кипения гелия при атмосферном давлении равна 4,2ii. Большинство К. у. рассчитано на работу при этой темп-ре. Иногда для увеличения полосы пропускания и

коэфф. усиления К. у. прибегают к более глубокому охлаждению.

Это достигается откачкой паров гелия вакуумным насосом. Таким путем нетрудно достичь темп-ры l,5iT. Однако К. у., работающие с откачкой, неудобны в эксплуатации. *

Трудности, связанные со сжижением, транспортировкой и пе­реливкой жидкого гелия из транспортных сосудов в криостаты,

ограничивают возможности применения К. у. и осложняют и удо­рожают их эксплуатацию. Разработаны небольшие холодильные машины с замкнутым циклом движения рабочего охлаждающего вещества. Вес такой машины, рассчитанной на охлаждение К. у,

до 40#, составляет 10—20 кг. Машина, рассчитанная на получение темп-ры 4 К, весит более 200 кг и потребляет мощность в неск. кет. Совершенствование холодильной техники в будущем сделает К. у. автономным, простым в эксплуатации прибором.

Магниты. Для создания внешнего магнитного поля в К. у. применяются как постоянные магниты, так и электромагниты. Постоянные магниты, создающие магнитные поля до 3—5 тыс. э. имеют сравнительно небольшие размеры и вес. Их можно разме­щать внутри криостата. Если постоянный магнит погружен в гелий, то вес и габариты К. у. определяются в основном не магнитом, а криостатом и источником накачки. Если постоянный магнит рас­положен снаружи криостата, то он должен создавать магнитное поле в большом объеме. Вес таких магнитов составляет дес. и сотни кг и является определяющим.

Электромагниты обычно располагаются в криостате и имеют обмотки из сверхпроводящей проволоки (электрич. сопротивление такой проволоки равно 0). Такие магниты не требуют постоянного питания; после заливки жидкого гелия в криостат обмотки маг­нита становятся сверхпроводящими. С помощью внешнего источника

в обмотках возбуждается ток нужной величины, после чего они закорачиваются сверхпроводящей перемычкой, а внешний источник отключают. Ток в обмотках, а следовательно, и магнитное поле,

остаются неизменными. Магниты со сверхпроводящими обмотками позволяют получать большие магнитные поля, необходимые для

создания К. у. миллиметрового и более коротковолнового диапа­зона волн.