4. Важнейшие характеристики квантовых усилителей

Основным достоинством К. у., определившим их бурное раз­витие, как уже указывалось выше, является чрезвычайно низкий

уровень их собственных шумов и вследствие этого необычайно

высокая чувствительность. В К. у. число частиц, участвующих в усилении, т. е. число парамагнитных ионов, постоянно. Т. о.,

дробовой шум отсутствует. Поскольку К. у. работают при низких

темп-pax, то и тепловой шум в них тоже очень мал. Принципиально неустранимые шумы К. у. связаны со спонтанным излучением актив­ного вещества на частоте рабочего перехода. В активном веществе, помимо вынужденных переходов «вниз», сопровождающихся вы­нужденным испусканием фотона, происходят и спонтанные пере­ходы «вниз», в результате к-рых также излучается фотон.

Мощность шума, вызванного спонтанным излучением, прихо- дящаяся на ед. объема активного вещества К. у., пропорциональна населенности N.. верхнего уровня. Рассмотрим простейшую модель К. у. в виде стержня из активного материала, вдоль рас-

пространяется усиливаемая волна. Спонтанное излучение, возникаю­щее на входе усилителя, распространяясь вдоль всего активного кристалла, усиливается больше, чем излучение, возникающее в

последующих частях К. у. Поэтому основной вклад в мощность

шумов на выходе усилителя вносят шумы, возникающие в начальной части стержня, имеющего длину — , где а — коэффициент кван- усиления, разности ей

N₂-N_x. В результате эффективная мощность спонтанного /кума, действующего на входе К. у., пропорциональна отноше­_нию ^Na , Обогащение верхнего уровня за счет нижнего уровня

IV 2 iV 1

приводит к уменьшению спонтанного шума в К. у. Наименьшие шумы достигаются, когда все частицы находятся на верхнем уровне.

_Ш

Мощность шумов К. у. удобно измерять, сравнивая ее с мощ­ностью теплового излучения черного тела. Спектр теплового излу­чения включает и видимый свет, и радиоволны. Т. о., мощность шумов можно выражать через абс. темп-ру (шумовая тем­пература). Предельная темп-pa шума К. у., вызванного спон­танным излучением для К - 3 см, составляет 0,5 К. Для боль-# шинства активных веществ, используемых в К. у., мощность шума | колеблется в пределах от 1 К до 5 К.

I В реальных К. у. к этим ничтожно малым шумам добавляется

% гораздо более мощное тепловое излучение подводящих волноводов f и др. конструктивных деталей К. у. Значительное тепловое излу-§ чение этих деталей связано с поглощением волны в материалах, I из к-рых они сделаны. Реальный волновод, напр., всегда погло-» щает нек-рую часть передаваемой по нему волны. Мощность шумов, излучаемую этими элементами усилителя, можно характеризовать величиной В Г, где 6 — коэфф. поглощения волны, а Т — его абс. темп-pa. Отсюда видно, что шумы К. у. определяются тепловым

излучением неохлажденных входных его деталей, на много пре­восходящем шумы, излучаемые самим активным веществом.

J Для уменьшения шумов приемного устройства необходимо умень-

шать поглощение радиоволн по пути от антенны к К. у. и охлаж­дать возможно большую часть входных деталей. Но охладить

I весь входной тракт до темп-ры жидкого гелия невозможно. Не­избежно «теплой» останется часть волновода, соединяющего К. у.

I с антенной радиоприемного устройства. Поэтому обычно не удается I снизить шумы К. у. до величины ниже 10 К. Это приблизительно I в 100 раз меньше уровня шумов лучших усилителей, имевшихся

до появления К. у. % Динамический диапазон. К. у. не может усиливать сколь угодно

■ж

большой сигнал. Большой сигнал, подобно мощной накачке, при- водит к рабочего перехода, т. е. к исчезновению

инверсии населенностей и усиления. После прекращения действия такого насыщающего сигнала коэфф. усиления К. у. восстанавли­вается не сразу, а только через время, несколько большее времени парамагнитной релаксации t_v Для рубина f ^ 0,1 сек. Диапазон изменения величины (уровня) сигнала от самого малого, срав­нимого с собственными шумами усилителя, до столь большого,

что он приводит к насыщению усилителя, наз. динамическим диапазоном. Динамич. диапазон К. у. определяется гл. обр. временем парамагнитной релаксации t_x кристалла. Чем меньше

т. е. чем чаще происходят релаксационные переходы, тем боль­ший сигнал может быть усилен без насыщения рабочего перехода.

Динамич. диапазон К. у. можно расширить, применяя кри­сталлы с малым временем парамагнитной релаксации t_t, но это связано с необходимостью увеличивать мощность накачки. Послед­нее, в свою очередь, приводит к увеличению расхода жидкого гелия. Напр., при мощности накачки в 1 вт испаряется более 1 л гелия в час.