45. Квантовые генераторы свч

Исторически первым квантовым прибором СВЧ является аммиачный генератор, структурная схема которого приведена на рис. 12.6. Он состоит из трех основных узлов: источника аммиака 1, сортирующего устройства 2 и объемного резонатора 3, настроенного на частоту перехода. Рабочим веществом являются молекулы аммиака NH₃. Использование колебательных уровней молекул аммиака определяет частоту перехода, равную 23870, 14 МГц, на которой работает аммиачный генератор.

Рис. 12.6	Рис. 12.7

В качестве сортирующего устройства используется квадрупольный конденсатор (рис. 12.7), представляющий собой четыре параллельно расположенных металлических стержня, к которым прикладывается постоянное напряжение порядка 20 кВ. Напряженность электрического поля между стержнями максимальна вблизи стержней и равна нулю на оси симметрии конденсатора, вдоль которой распространяются молекулы аммиака. Под действием неоднородного электрического поля квадрупольного конденсатора происходит пространственное разделение молекул нижнего и верхнего уровней. Молекулы верхнего уровня будут двигаться по оси симметрии и направляться в объемный резонатор, а молекулы нижнего уровня будут отклоняться от оси симметрии и удаляться из устройства с помощью вакуумного насоса.

Молекулы верхнего уровня, влетевшие в резонатор, в первоначальный момент излучают свою энергию либо под действием флуктуаций электрического поля резонатора, либо спонтанно, в результате чего увеличивается плотность энергии p в резонаторе, а также усиливается вероятность pB₂₁ индуцированного излучения энергии последующими молекулами. Поскольку через резонатор пролетают молекулы непрерывным потоком, то последующие молекулы излучают энергию под действием электромагнитного поля, обусловленного излучением предыдущих молекул.

Таким образом, осуществляется положительная обратная связь, в результате действия которой, в резонаторе возбуждаются колебания, мощность которых нарастает до установившегося значения. Посредством выходного волновода мощность из резонатора отводится в нагрузку.

Мощность аммиачных генераторов не превышает 10^-10 ÷ 10^-9 Вт.

Относительная стабильность частоты генератора

, (12.24)

где – абсолютные произвольные изменения частоты генерируемых колебаний,– частота перехода для аммиачного генератора, не лучше 10^-9.

Помимо аммиачного генератора используется квантовый водородный генератор, работающий на длине волны, равной 21 см. Относительное изменение его частоты не превышает 10^-11, т.е. нестабильность на два порядка меньше по сравнению с аммиачным генератором.

В водородных генераторах используется энергетический переход, обусловленный расщеплением основного уровня атома водорода. Энергетический зазор между используемыми уровнями в водородном генераторе равен 510^-6 эВ, т.е. на два порядка меньше чем у аммиачного, поэтому выходная мощность также меньше и не превышает

10^-12 – 10^-11 Вт.

Водородный генератор состоит из тех же основных элементов, что и аммиачный генератор: источника газа, сортирующего устройства, резонатора.

Атомы водорода обладают магнитным дипольным моментом и для их сортировки используют неоднородное магнитное поле, создаваемое системой постоянных магнитов.

Высокая стабильность частоты квантовых генераторов позволяет использовать их в качестве активных стандартов частоты