193

13.4. Особенности устройства и применения КПУ

Упрощенные схемы устройства КПУ рассмотрены в § 13.3. Отметим некоторые особенности конструкции резонатора или замедляющей системы, системы охлаждения рабочего вещества и магнита.

Конструкция резонатора зависит от свойств кристалла и от рабочего диапазона волн. Обычно используют полосковые резонаторы, так как их удобно располагать между полюсами магнита. В таких резонаторах также проще получить больший коэффициент заполнения рабочим веществом. Замедляющие системы обычно выполняют в виде штырей, расположенных в волноводе. Система обладает большим замедлением групповой скорости, широкополосностью, малыми потерями.

Охлаждение КПУ до очень низких температур увеличивает время спин-решеточной релаксации и облегчает получение инверсии населенности. Кроме того, с понижением температуры уменьшается уровень шумов. Большинство КПУ работает при температуре жидкого гелия 4,2 К при атмосферном давлении и 1,5—2 К при откачке паров гелия до давления 500—2100 Па, но есть КПУ с температурой жидкого азота или кислорода. Для охлаждения до температуры жидкого гелия используют двойные стеклянные сосуды (дьюары). Внешний сосуд заполняется жидким азотом, а внутренний — жидким гелием.

Магнитное поле необходимо в КПУ для расщепления энергетических уровней и должно быть достаточно однородным и стабильным. В некоторых КПУ применяют магниты со сверхпроводящими обмотками.

КПУ с очень низким уровнем шумов используют в качестве высокочувствительных СВЧ-усилителей в радиоастрономии, космической связи, радиолокации и в различных лабораторных исследованиях. Однако преимущество по чувствительности можно реализовать только при одновременном уменьшении уровня шумов в СВЧ-тракте перед

КПУ, например, применяя охлаждаемые циркуляторы и другие элементы. КПУ для усиления большого сигнала непригодны из-за эффекта насыщения рабочего квантового перехода вещества. Насыщение, приводящее к уменьшению коэффициента усиления, наступает при малых уровнях сигнала (10-8—10-5 Вт), однако динамический диапазон входных сигналов остается чрезвычайно большим из-за малого уровня шумов, доходящего в отдельных КПУ с бегущей волной до 3,5 дБ.

Режим насыщения для КПУ неопасен, но в ряде применений он недопустим из-за большого времени восстановления нормального режима усиления после прекращения сильного воздействия. Время восстановления сравнимо с временем парамагнитной релаксации. В качестве рабочего вещества используют рубин. На более

194

высоких частотах (в миллиметровом диапазоне) применяют рутил с примесью хрома или железа, для которого требуется меньшее магнитное поле. Время восстановления в КПУ с рубином порядка 10-2 с, а с рутилом 10-3 с.

Обычно полоса пропускания КПУ составляет 15—20 МГц. Увеличение полосы достигается в простейшем случае искусственным уширением спектральной линии вещества или коррекцией частотной характеристики СВЧ-тракта. Наиболее эффективным оказался способ уширения линии созданием неоднородного магнитного поля по длине или поперечному сечению вещества. В простейшем случае применяют два участка с различным полем. Например, достигнута полоса 150 МГц при коэффициенте усиления 25 дБ и ожидается получение полосы до 500 МГц. Очевидно, что в этом способе требуется применение генераторов накачки с разными частотами (по числу участков) или с частотной; модуляцией (при непрерывном изменении магнитного поля).

Переход к другой частоте сигнала вне полосы требует изменения частоты квантового перехода, т. е. одновременного изменения магнитного поля и частоты генератора накачки. В различных КПУ с бегущей волной диапазон такой перестройки составляет от нескольких до 20%.

В настоящее время КПУ работают в диапазоне частот до 100 ГГц. Параметры некоторых КПУ приведены в табл. 10.

Резонаторные КПУ на частотах 1—10 ГГц при использовании рубина имеют коэффициент усиления 15—30 дБ и полосу пропускания менее 1%.

КПУ с бегущей волной имеют следующие типичные значения: коэффициент усиления 20—30 дБ, полоса пропускания 15—20 МГц (менее 1%), диапазон перестройки 100—200 МГц. Однако достигнуты значения полосы на частоте 4,2 ГГц до 150 МГц (3,5%) и диапазона на 37,5 ГГц до 4,6 ГГц (22%).

195

Глава 14 КВАНТОВЫЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ (КСЧ).|

КСЧ разделяются на пассивные и активные. В пассивных КСЧ используется спектральная линия поглощения атомов или молекул. С частотой этой линии сравнивается частота вспомогательного генератора. Пассивные КСЧ, в которых имеется направленный поток атомов или молекул, называют атомно-лучевыми трубками. В активных КСЧ производится сравнение частоты вспомогательного генератора с частотой излучения квантовых генераторов.

§14.1. Требования, предъявляемые к рабочей среде КСЧ

ВКСЧ используются вещества с узкими спектральными линиями и с очень слабой зависимостью частоты квантовых переходов от внешних воздействий.

На ширину линии (см. § 12.2) влияют соударения между частицами и частиц со стенками, электрические и магнитные поля, эффект Доплера. Минимальная (естественная) ширина спектральной линии обратно пропорциональна времени жизни [см. формулу

(12.27)]. Для используемых в КСЧ уровней аммиака ∆ν~10-8 Гц, а для уровней сверхтонкой структуры щелочных элементов ∆ν~10-13 Гц.

Чтобы ослабить влияние соударений частиц на ширину линии, понижают давление газа и используют направленные потоки нейтральных атомов и молекул. Влияние соударения частиц со стенками колбы может быть ослаблено введением дополнительного газа, увеличивающего время диффузии частиц к стенкам, либо применением специальных покрытий на стенках.

Для КСЧ следует выбирать такие энергетические уровни вещества, на которые внешние электрические и магнитные поля влияют очень слабо. В некоторых КСЧ применяются магнитные экраны.

Изменение частоты излучения, вызванное эффектом Доплера, определяется формулой (12.31). Относительное изменение частоты может составлять ~10-6, что для КСЧ недопустимо велико. Изменения частоты нет, если фазовая скорость в формуле (12.31) бесконечно велика. Этот способ используется в КСЧ с пучками атомов и молекул. Обычно в таких КСЧ СВЧ-колебания возбуждаются в цилиндрическом резонаторе, по оси которого движутся атомы или молекулы.

Резонатор рассчитывают на возбуждение колебаний типа Е010, для которого электрическое поле вдоль оси однородно, т. е. фазовая скорость по этому направлению бесконечно велика. В случае параллельного пучка частиц, ось которого совпадает с осью резонатора, эффект Доплера отсутствует.

Очень важной и специфической для КСЧ причиной уширения спектральной линии является влияние времени пролета частиц в резонаторе, не рассмотренное в § 12.2.

При взаимодействии СВЧ-поля резонатора и частиц происходят вынужденные переходы. Следует ожидать, что вероятность перехода частиц из возбужденного состояния в невозбужденное зависит от времени движения частицы (времени пролета τ). Действительно, если τ мало, то и вероятность перехода W21 (рис. 14.1) из состояния 2 в состояние 1 также мала. С увеличением τ W21 растет, при некотором значении τ' достигает максимума, а затем спадает до минимального значения, которое наступает при τ=τ". Минимум означает, что при времени пролета τ" частица имеет наибольшую вероятность вернуться снова в возбужденное состояние 2 и т. д. Зависимость W21 от τ должна быть периодической.

196

Наличие времени пролета должно приводить к модуляции интенсивности излучения и увеличению спектра частот, который можно оценить формулой ∆ν≈1/τ. Время τ связано с длиной резонатора l и скоростью частиц ν (τ=l/ν). Для уменьшения ν следует увеличивать длину резонатора и уменьшать среднюю скорость частиц. Оказывается, такой же результат можно получить при замене одного резонатора с длиной l двумя небольшими резонаторами, расположенными на том же расстоянии l, если только колебания в этих резонаторах сфазированы. Возможна также замена одного резонатора изогнутым волноводом со щелями для прохождения пучка, если расстояние между щелями осталось равным l. Такой вариант изображен на рис. 14.4.

§ 14.2. Пассивные квантовые стандарты частоты

Стандартысоптическойнакачкой. Рабочейсредойтакихстандартовслужататомыщелочных металлов рубидия или цезия. Схема пассивного стандарта частоты приведена на рис. 14.2,а. В качестве источника света используют газосветную лампу с парами рубидия (или цезия). В объемном резонаторе находится колба также с парами рубидия (или цезия). Излучение газосветной лампы попадает в колбу после прохождения оптического фильтра. Резонатор возбуждаетсяотСВЧ-генератора.

Принцип работы прибора можно пояснить с помощью диаграммы энергетических уровней (рис. 14.3). На рис. 14.3,a показано распределение Больцмана для населенности трех уровней рабочего вещества в колбе, когда через нее не проходит свет (нет накачки), а в резонаторе отсутствует СВЧ-поле. Переход 3—2 соответствует оптическому диапазону, а 2—1— диапазону СВЧ. Те же уровни 1, 2 и 3 имеются и у вещества в источнике света, так как там находится тот же газ. Поэтому излучение источника имеет частоты, соответствующие указанным уровням. С помощью оптического фильтра выделяется излучение с частотой ν32 перехода3—2.

В результате воздействия света (накачки) с частотой ν32 на газ в колбе увеличивается населенность уровня 3 и уменьшается населенность уровня 2. При достаточной интенсивности света поглощение света приведет к насыщению перехода 3—2, населенности его уровней

197

становятся равными (см. рис. 14.3,б). Газ в колбе перестанет поглощать свет, и фотодетектор зарегистрирует максимум интенсивности.

Теперь предположим, что в резонаторе имеется СВЧ-поле с частотой fr , равной частоте ν21 перехода 2—1. Населенность уровня 1 больше населенности уровня 2 ( N 1 Б> N ' 2 ), поэтому происходит поглощение энергии СВЧ-поля, населенность уровня 1 уменьшается, а уровня 2 возрастет до N"2>N'2 (см. рис.14.3.в). Следовательно, равенство населенностей уровней 3 и 2 нарушится, населенность N`3 станет меньше N"2, начнется поглощение света и фотодетектор зарегистрирует уменьшение интенсивности света. Зависимость тока

фотодетектора Iф от частоты СВЧ-генератора fг имеет вид, показанный на рис. 14.2,б. При fг=ν21 наблюдается наибольшеепоглощениесвета.

Рассмотренную зависимость поглощения света от частоты поля fг в резонаторе можно использовать для автоматической подстройки частоты (АПЧ) СВЧ-генератора под частоту

перехода ν21.

Таким образом, принцип работы пассивного стандарта частоты с оптической накачкой состоит в том, что, воздействуя на один энергетический переход, можно управлять поглощением излучения начастотедругогоэнергетического перехода.

Параметры рубидиевого стандарта частоты с оптической накачкой приведены в табл. 11. Атомно-лучевые стандарты. Работа атомно-лучевого стандарта основана на использовании магнитных свойств атомов, обычно атомов цезия. Схема атомно-лучевого стандарта частоты показана на рис. 14.4. Пучок атомов с малой угловой расходимостью создается источником. Пучок атомов входит в пространство между полюсами первого

отклоняющего магнита, где имеется резко неоднородное магнитное поле.

Как известно, на частицу, находящуюся в магнитном поле, действует сила, равная по величине градиенту потенциальной энергии: W, но противоположная ему по знаку:

Направление градиента — это направление роста энергии, поэтому знак минус означает, что сила действует в направлении убывания энергии. Другимисловами, частица вмагнитном поледолжнасмещатьсявобласть, гдеэнергиячастицыстановитсяменьше.

Если магнитное поле изменяется только в одном направлении r, то вместо (14.1) следует записать

198

Градиент поля дН/дr определяется формой полюсов магнита. В однородном поле дН/дr =0 и, следовательно, FM=0. На рис. 14.4 градиент поля направлен вниз, так как поле увеличивается к нижнему полюсу. Величину и знак дН/дr можно определить по кривым, приведенным на рис. 14.5, где квантовое число F характеризует полный момент количества движения атома, а квантовое число mF — проекциюэтогомомента.

В магнитном поле отклоняющего магнита из всех 16 уровней сверхтонкой структуры атомов цезия энергия семи уровней увеличивается, семи уровней уменьшается, а оставшихся двух практически не зависит от поля, если оно невелико. Таким образом, все атомы, кроме атомов этих двух состояний (F=4, mF=0) и (F=3, mF=0), удаляются из пучка. На рис. 14.4 показано движение оставшихся атомов с учетом начальной расходимости.

Т а б л и ц а 11

Предположим, что по одному и тому же направлению вверх из источника выходит атом А1 с квантовым состоянием (4, 0). Вследствие противоположного знака сил, действующих на эти атомы в неоднородном магнитном поле первого магнита, атом А1 уйдет вверх, а атом А2 отклонится вниз, пересечет ось прибора в щели диафрагмы и войдет во второй магнит. В нем атом А2 снова отклонится вниз, так как направления поля и градиента поля в обоих магнитах одинаковы.

Следовательно, атом А2 удалится отоси прибора. Аналогично рассматривается движение атомов А3 с

состоянием (3, 0) и А4 с состоянием (4, 0 ), вышедших из источника под одинаковым углом вниз. Атом A4 сразу уйдет вниз, а атом А3, пройдя весь прибор, удалится от оси.

Предположимтеперь, чтоврезонаторе имеется СВЧ-поле, частота которого совпадает с частотой квантового перехода состояний (4, 0) и (3, 0 ) . Под воздействием СВЧ-поля атомы могут совершить вынужденные переходы. Если атом А2 перейдет из состояния (4, 0) в состояние (3, 0 ), то во втором магните изменится знак силы и этот атом отклонится к оси прибора. Аналогично переход атома А3 из состояния (5, 0) в состояние (4, 0) сопровождается отклонением его к оси. Соответствующие траектории