Приборы и устройства оптического и СВЧ диапазонов

191

вой схеме, причем, рабочими уровнями является пара инверсионных колебательных уровней счастотойперехода νпер=29870 МГц (λ=12,5 мм).

Покажем устройство генератора на схеме, изображенной на рис. 7.1.

6

Рис. 7.1. Блок-схема генератора.

1-источник молекул, 2-пучок молекул, 3-сортирующая система, 4-объемный резонатор, 5-выходной волновод, 6-откачной патрубок.

Из источника 1 молекулы аммиака NH3 выходят через капилляры и образуют молекулярный пучок 2. Пучок проходит сквозь сортирующую систему 3, в которой из пучка удаляются молекулы, находящиеся на нижнем энергетическом уровне пары рабочих инверсионных состояний. Далее пучок, в котором число молекул на верхнем уровне преобладает, пропускается через объемный резонатор 4, настроенный на частоту используемого перехода.

Электромагнитное поле резонатора воздействует на пролетающие молекулы и вызывает их вынужденное излучение. Таким образом осуществляется обратная связь. Если мощность излучения превысит сумму потребляемых мощностей, генератор самовозбуждается.

Энергетические уровни молекул аммиака. Молекула аммиака имеет вид правильной пирамиды как показано на рис. 7.2 (тетраэдр), в вершине которого помещается атом азота, а в вершинах треугольника, образующего основание, находятся атомы водорода. Данная система имеет много степеней свободы. Она может совершать поступательное, вращательное, колебательные движения.

В молекулярном генераторе используются уровни, которые получаются вследствие их расщепления за счет так называемого инверсионного колебания атома азота относительно плоскости Н- Н-Н (рис.7.2). Потенциальная энергия атома азота Е(z) в зависимости, от расстояния его на оси Z от плоскости, в которой лежат атомы водорода, приведены на рис. 7.3.

192

Минимум потенциальной энергии атома азота достигается при смещении атома от плоскости Н на ±а. В точках z=±а силы отталкивания и притяжения молекул уравновешиваются, и при таких положениях атома азота система обладает наименьшей потенциальной энергией. Атом азота как бы колеблется в потенциальной яме. Он может перейти из одной потенциальной ямы в другую. Это движение оказывается очень важным и происходит за счет туннельного эффекта.

Сортировка частиц в молекулярном генераторе осуществляется с помощью неоднородного электрического поля. Действие такого поля на молекулы зависит от ее энергии. Так, попадая в постоянное электрическое поле Е0, молекула аммиака приобретает дополнительную потенциальную энергию, так что уровни ее энергии смещаются (эффект Штарка).

Величина и знак этого смещения различны для разных уровней. На рис. 7.4 изображена зависимость положения двух уровней молекулы аммиака Еа и Еs от величины поля Е0. При увеличении абсолютной величины Е0 энергия молекул в состоянии Еа уменьшается, а в состоянии Еs увеличи-

вается. Так как система всегда стремится занять состояние с наименьшей энергией, то молекулы в антисимметричном состоянии будут группироваться в области, где Ео=0, а в симметричной области, где Ео

стремится к Emax.

Сортирующее устройство рис. 7.5, называемое квадрупольным конденсатором, создает неоднород-

ное электрическое поле Ео. В центральной части пучка поле равно нулю, а по мере удаления от оси пучка плавно нарастает. Поэтому рис. 7.4 отражает также зависимость энергии молекул в состоянии Еа и Еs от ее расстояния r от оси симметрии конденсатора. Т.к. по законам механики любая система испытывает силу, направленную в сторону уменьшения ее потенциальной энергии, то молекулы пучка, которые в конденсаторе находятся в верхнем состоянии Еа, приближаются к центру и фокусируются. Молекулы же, находящиеся в нижнем состоянии Еs, удаляются от центра пучка и не попадут в резонатор.

7.1.2. Условие самовозбуждения генератора

193

После селектора молекулы попадают в резонатор, где поле усиливается. Кроме усиления имеют место и потери, в частности

1.потери на излучение (Рпот.изл),

2.потери на тепловые преобразования (Ртепл).

значение мощности, излучаемой молекулярным генератором в точке Ро, стабильно. Пусть увеличилась величина Ео2 до Ео2” . В этом случае Рпот>Ризл, что ведет, к уменьшению генерируемой мощности, пока она не станет равной Ро. Если запасенная энергия Ео2 уменьшилась до Ео2’, где потери Рпот<Ризл и мощность начнет возрастать вплоть до Ро. Таким образом, при любых отклонениях средней мощности от равновесного значения молекулярный генератор стремится вернуться к этому стационарному состоянию.

Условием генерации генераторов является:

1.Баланс амплитуд.

2.Баланс фаз.

Баланс амплитуд состоит в том, что происходит нарастание поля из-за инверсной населенности и индуцированных переходов.

Потери в резонаторе состоят из:

1.Тепловых потерь в стенках резонатора (потери мощности в стенках резонатора Ра).

2.Потерь, связанных с наличием устройств связи (Рсв).

195

При хорошо выполненном резонаторе тепловые потери и потери на излучение много меньше мощности, выделяемой на нагрузке.

Пусть Рвых ≈ Рн. Для самовозбуждения генератора необходимо чтобы селектор поставлял не менее 1014 мол/сек. Значит 2WT1>>1 и

Из этого примера видно, что все молекулярные генераторы СВЧ маломощны.

Стабильность частоты аммиачного генератора. При попадании ак-

тивных молекул в резонатор происходят следующие процессы. Шумовое поле аммиака (представляющее собой спонтанное излучение) вызывает в резонаторе свободные колебания. Это поле, частота которого близка к частоте перехода, вызывает поляризацию молекул аммиака. При этом диполи молекул ориентируются по направлению поля. Среда готова к индуцированному излучению. В результате поляризации осуществляются синхронные переходы, при которых возникает индуцированное излучение. В резонаторе возникают вынужденные колебания, которые усиливаются индуцированным излучением. При определенном числе активных молекул и соответственно при определенной величине поля и поляризации, фаза вынужденного колебания совпадает с фазой исходного поля. Возникает баланс фаз, при котором происходит генерация. B этом случае, если дипольные моменты параллельны, дипольный момент равен числу активных молекул.

Так как частота резонатора не зависит от R, то в (7.16) R опускаем и, следовательно:

Еизл~P/(1+j2Q(ω-ω0)/ω0). (7.17)

По аналогии запишем

Р~Е/(1+j2Qл(ω-ω0)/ω0) ,

где Qл – добротность молекулярной линии Qл=1/2ω21τ .

196

Из этих двух выражений следует:

Dw0р - изменение частоты в резонаторе (103 Гц) за счет несогласованности с нагрузкой, за счет не точной настройки резонатора, за счет изменения напряжения на селекторе (например, Dw×wл = 5.10-11×24.109 = 1Гц).

Стабильность частоты, достигаемая в квантовых стандартах частоты (КСЧ) в первую очередь определяется характеристиками использованного молекулярного генератора

Вслед за генератором на аммиаке были построены генераторы на других веществах и все они практически работают в СВЧ диапазоне.

Характерными являются:

1.Цезиевый стандарт стал основой эталона времени и частоты. 2.Генератор на молекулах формальдегида CH20 f=72838 МГц (l=4мм). 3.На молекулах синильной кислоты HCN f=88630 МГц(l=3мм).

4.На молекулах тяжелого аммиака ND3 f=1656 МГц.

5.На атомарном водороде. Нестабильность 10-3, f=1420,405 МГц Рвых=10- 12-10-11 Вт, l=21 см, используется как первичный стандарт частоты. Устройство этих генераторов аналогично генератору на NH3. Исключение

составляет генератор на водороде, у которого используется не электрический дипольный переход, а магнитный дипольный переход.

7.2. Квантовые парамагнитные усилители СВЧ (КПУ)

КПУ – это СВЧ приборы, в которых используются энергетические уровни парамагнитных веществ.

197

7.2.1.Парамагнетизм в кристаллах

Вкристаллах каждый i – ый электрон, входящий в состав атома или моле-

кулы, обладает определенным орбитальным µei и спиновым µsi магнитными моментами. Полный магнитный момент М атома или молекулы определяется суммой спиновых и орбитальных магнитных моментов отдельных электронов:

нитным полем вызывает намагничивание веществ. В зависимости от характера этого взаимодействия различают парамагнетики и диамагнетики.

Парамагнетики – это вещества, у которых под действием внешнего магнитного поля, возникает магнитный момент, направленный вдоль поля. Атомы и молекулы парамагнетиков обладают постоянным отличным от нуля магнитным моментом.

Диамагнетики – это вещества атомы, ионы, молекулы которых имеют целиком заполненные электронные оболочки, спины скомпенсированы, момент М=0 (например, инертные газы).

Устойчивый парамагнетизм наблюдается в веществах, обладающих частично заполненными внутренними электронными оболочками с нескомпенсированными спинами. В кристаллах орбитальные моменты электронов в значительной степени скомпенсированы действием электрического поля решетки и их вклад в полный момент М атома или молекулы невелик, на спин же поле кристаллической решетки влияет незначительно. Поэтому полный магнитный момент оценивается суммой спиновых магнитных моментов отдельных электронов.

Постоянным магнитным дипольным моментом, вступающим во взаимодействие с внешним магнитным полем, обладают электроны атомов группы железа (никель, кобальт, хром и др.) и группы редкоземельных элементов (лантан, неодим, самарий, европий, гадолиний и др.), а также лантаниды (соединения Al и

198

совместить его ось с направлением на H0.

Однако, за счет гироскопических свойств ось волчка не совмещается с направлением поля, а прецессирует относительно этого поля, описывая некоторый конус прецессии и сохраняя угол φ. Угловая скорость прецессии, wпр = γH0, где

γ = µs/S.

Из рис. 7.7 видно, что с полем H0 взаимодействует только Mz составляющая магнитного момента, т.е. М┴ в среднем за период равна 0, ввиду вращательного движения М┴.

При решении статических задач, можно магнитный волчок заменить магнитным диполем, магнитный момент которого равен его Z – ой составляющей (т.е. его среднему значению). Причем, магнитный момент может иметь разные знаки.

Магнитный диполь во внешнем поле может иметь только два положения равновесия: устойчивое и неустойчивое. При малейшем отклонении от устойчивого состояния момент сил стремится вернуть диполь в устойчивое состояние.

Рассмотрим влияние внешнего поля на парамагнитное вещество.

7.2.2. Энергетические уровни парамагнитных ионов

Энергетические уровни парамагнитных ионов. Если парамагнитный ион поместить в магнитное поле, то он будет взаимодействовать с этим полем. Энергия взаимодействия определяется следующим образом: εвз = µH.

Для повышения плотности активных частиц в качестве рабочего вещества КПУ используют не свободные парамагнитные ионы, а парамагнитные кристаллы. Обычно парамагнитные ионы вводятся в диамагнитную решетку в качестве примесей, замещающих небольшую часть диамагнитных ионов. Кристаллическое поле оказывает существенное влияние на магнитные свойства парамагнитных ионов. Так как кристаллическое поле различно для разных направлений, оно ориентирует орбиты электронов таким образом, чтобы энергия иона в целом была минимальна. Стабилизация орбит оказывается настолько жесткой, “ орбиты замораживаются”, что при переходах, соответствующих взаимодействию иона с магнитным полем, орбитальное движение практически не меняется. Следовательно, основной вклад в формирование энергетических уровней вносит спиновое взаимодействие. Орбитальное движение просто сдвигает все уровни энергии на одну величину. Энергия спинового взаимодействия атома (ε), если магнитное поле направлено вдоль оси z, выражается как

Ориентация спинового момента квантована, т.е. S принимает только определенные значения, отличающиеся на единицу:

-S, -S+1, -S+2, … 0, 1, 2, … S-1, S;

Каждому значению спинового момента соответствует один энергетический уровень. Всего таких уровней будет 2S+1. Например: S=3/2, получим ряд: –3/2, -1/2, +1/2, +3/2, - 4 уровня; если S=5/2, то будет ряд: -5/2, -3/2, -1/2, 1/2, 3/2, 5/2 – 6

уровней.

Вквантовых усилителях наиболее часто используется режимы, соответствующие углам θ = 54,440 и θ = 900.

Всантиметровом диапазоне в КПУ используется рубин.

Вмиллиметровом – рутил (окись TiO2: Cr+3, или TiO2: Fe+3).

7.2.3.Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР)

Явление ЭПР наблюдается при наложении на парамагнитное вещество двух взаимно перпендикулярных магнитных полей: слабого переменного H1 и сильного постоянного H0. Переменное поле такой частоты, при которой наступает наиболее интенсивное поглощение энергии этого поля.

Резонансная частота, при которой происходит резкое селективное поглощение оказывается равной частоте Лармора: υл =e/mэ H0 для сравнения

ω0=γH0 .

Как было выяснено раньше, влияние постоянного поля H0 на парамагнетик вызывает его прецессию. Наложение перпендикулярной переменного поля H1 приводит к изменению угла этой прецессии, т.е. происходит изменение энергии взаимодействия.

1.Рассмотрим случай, когда вращение вектора поля H1 совпадает по направлению с прецессионным вращением вектора µi, являющегося суммой орбитального и спинового магнитных моментов. При этом частота переменного поля отличается от частоты прецессии, будет происходить то ускорение, то замедление прецессии электрона, т.к. результирующее поле в каждый момент времени опре-

деляется мгновенным значением геометрической суммы двух полей H0 и H1. Значение дополнительного вращательного момента будет равно нулю.

2.При совпадении частоты переменного поля с частотой прецессии спинов

ω=ωпр появится постоянно действующий на спины опрокидывающий момент. Действие этого момента выражается в возникновении дополнительных колебаний, накладываемых на основную прецессию спинов. При этом создаются усло-