книги из ГПНТБ / Кацман, Ю. А. Электронные и квантовые приборы сверхвысоких частот учебное пособие

чае говорят, что она имеет Гауссову форму. Причиной уширения линии может быть взаимодействие микрочастиц друг с другом или стенками, время пролета возбужденных микро­ частиц через резонатор, эффект Допплера, а также влияние внешних электрических и магнитных полей. В двух первых случаях, по существу, уменьшается время жизни возбужден­ ных частиц. Эффект Допплера оказывает влияние на форму контура спектральной линии газообразных рабочих веществ потому, что атомы и молекулы газа движутся хаотически. Внешние электрические и магнитные поля в силу эффектов Штарка и Зеемана приводят к расщеплению энергетических уровней на подуровни и соответственно к расщеплению спектральных линий. Зависимость энергии микрочастиц от квантового числа / определяет т о н к у ю с т р у к т у р у спектральных линий. Если поля невелики, то линии от отдельных подуровней перекрывают друг друга, в результате чего образуется одна широкая линия сложной формы. Ана­ логично происходит уширение спектральных линий за счет сильных внутрикристаллических электрических полей. При этом под влиянием неоднородности поля или кристалла эф­ фект уширения проявляется сильнее.

звана взаимодействием ядерных магнитных моментов с со­ здаваемым электронами магнитным полем — так называе­ мая //-связь. Так как ядерный магнитный момент мал, то и сверхтонкое расщепление незначительно.

Сверхтонкое расщепление приблизительно в Ю3 раз мень­ ше тонкого. Подобно тому, как при LS-связи вводится кван­ товое число /, в //-связи вводится квантовое число F, опре­ деляющее полный момент количества движения, т. е. F —J + F где / — ядерный спин. Энергетический уровень, вычисленный в пренебрежении сверхтонкого расщепления, расщепляется при его учете на несколько компонент, число которых опре­ деляется числом возможных взаимных ориентаций ядерного

скольку проекция ядерного момента количества движения на

направление / должна быть равна где квантовое

число Mj принимает все значения от —/ до + /.

Во внешнем магнитном поле на компонентах сверхтонкой структуры наблюдается эффект Зеемана, поскольку каждый уровень энергии расщепляется на (2/г-Ы) подуровней в со­ ответствии с возможными ориентациями суммарного магнит-

10 0

пого момента ядра и электронов. Число этих ориентаций определяется с учетом того, что проекция полного момента

—F до +F.

Переходы между компонентами сверхтонкой структуры

определяются правилами отбора.

Рассмотрим в качестве примера сверхтонкую структуру

стоте v~1420 МГц. Этот переход и зеемановское расщепле­ ние уровней используются для создания квантового стандар­ та частоты на водородном генераторе. Излучение водорода на частоте 1420 МГц широко используется в радиоастрономии.

У молекул обычно полный момент электронов /= 0 , по­ этому сверхтонкое расщепление обусловлено взаимодейст­ вием электронов с квадрупольным моментом ядра.

Р а з д е л IV

КВАНТОВЫЕ ПРИБОРЫ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ НА АТОМНО­ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ПУЧКАХ И КВАНТОВЫЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ

Глава 11

Генератор на пучке молекул аммиака

Квантовый генератор на пучке молекул аммиака NH3 был первым активным квантовым прибором, генерация в котором

101

создавалась путем использования вынужденного излучения в инверсной среде.

Молекула аммиака имеет форму симметричного волчка — правильной трехгранной пирамиды, в вершине которой нахо­ дится атом азота, а в вершинах основания — атомы водорода.

Нметрии. Установлено, что атом азота, колеблясь около своего положения равнове­ сия, может периодически

щается в свое зеркальное изображение. Такой переход назы­

гии молекулы от положения атома азота. Как видно, эта кривая симметрична относительно плоскости атомов водоро­

10 2

спектр молекулы: вместо двух независимых колебательных уровней с одинаковой энергией W в каждом минимуме полу­ чаются два близких энергетических уровня Wi и W2, общих для обоих минимумов,— происходит инверсионное расщепле­ ние уровней; это и показано на рис. 50.

Как уже говорилось, каждому уровню колебательной энергии соответствует ряд вращательных подуровней. При расщеплении колебательного уровня расщепляются и все вращательные подуровни. Поэтому в молекулярном генера­ торе на пучке молекул аммиака используются переходы ме­ жду невозбужденным и инверсным состояниями вращатель­ ных подуровней. Частота перехода, хотя и не столь значи­ тельно, но зависит от выбора вращательного уровня. Энер­ гия вращательного движения молекул типа симметричного волчка, к которым относится молекулл NH3, зависит от кван­ товых чисел /* и К. Число / определяет вращательный мо­ мент количества движения молекулы, а число К — его проек­ цию на ось симметрии молекулы. При этом число К прини­

1,3 см).

Спектральные линии инверсионных переходов имеют сверх­ тонкую структуру, связанную с влиянием квадрупольного мо­ мента ядра азота N14. От положения квадрупольного момен­ та ядра азота во внутримолекулярном электрическом поле несколько изменяется энергия молекулы . и соответственно расщепляются уровни энергии и спектральные линии. Так, например, линия 3—3 расщепляется на компоненты, отстоя­ щие по частоте на величину перехода 1 кГц. Это обстоятель­ ство усложняет настройку молекулярного генератора при ра­ боте на этой линии. Из всех линий обычного аммиака N14H3 исключением является линия 3—2 , для которой расщепления не наблюдается. Однако эта линия менее интенсивна. Так как ядро изотопа азота 15N не обладает квадрупольным мо­ ментом, рассматриваемого расщепления можно избежать, используя изотоп аммиака 15ЫНз.

Рассмотрим устройство и принцип работы генератора на пучке молекул .аммиака.

* Не путать с квантовым числом /, характеризующим полный мо­ мент количества движения атома.

103

Устройство генератора схематически показано на рис. 51. Источником молекулярного пучка является камера 1, запол­ ненная аммиаком при давлении порядка 0,1 мм рт. ст. Вы­ ходное отверстие камеры состоит из ряда узких каналов, па­ раллельных оси прибора. Благодаря этому из камеры выле­ тают только те молекулы, которые движутся параллельно оси или под небольшим углом к ней. Для уменьшения рас­ хождения пучка на его пути ставится диафрагма 2. Давление в общей камере прибора, где проходит молекулярный пу­ чок,. поддерживается на уровне 10~ 5 мм рт. ст. При таком

Рис. 51

давлении длина свободного пробега молекул больше разме­ ров прибора, и столкновением молекул в пучке можно пре­ небречь. После диафрагмы молекулы попадают в сортирую­ щую систему 3. Здесь возбужденные молекулы, находящиеся в верхнем состоянии инверсного перехода, отклоняются к оси системы (фокусируются), а молекулы, находящиеся в не­ возбужденном нижнем состоянии инверсного перехода откло­ няются от оси (расфокусируются). Благодаря этому в пучке молекул аммиака создается инверсное состояние, при кото­ ром число возбужденных молекул превышает число не­ возбужденных. Пучок молёкул с инверсной населенностью попадает далее в резонатор 4, который настраивается на ча­ стоту рабочего инверсного перехода. Среда, находящаяся в инверсном состоянии, усиливает колебания за счет явления вынужденного излучения. Поэтому, если усиление инверсной среды в резонаторе при движении электромагнитной волны от одной отражающей стенки к другой превысит потери энер­ гии в волне за это же время, то произойдет самовозбуждение молекулярного генератора. Необходимый для работы при­ бора вакуум поддерживается с помощью насоса, откачиваю­

104

щего прибор через патрубок 5, а также путем «выморажива­ ния» аммиака с помощью контура 6, охлаждаемого жидким азотом. Без этой последней меры пришлось бы применять насосы с очень, большими скоростями откачки (до Ю5 л/с).

Сортирующая система молекулярного генератора обычно выполняется в виде квадрупольного конденсатора. Сечение конденсатора и конфигурация электрического поля в нем показаны на рис. 52. Область наиболее слабого поля лежит на оси конденсатора, наиболее сильного — у его краев, там, где располагаются стержни, образующие конденсатор. По­ этому все возбужденные молекулы будут двигаться в сто­

личением напряжения, на ее электродах, так как при этом возрастает неоднородность электрического

поля. Поэтому молекулярный генератор начинает работать только с некоторого пускового значения напряжения на сор­

тирующей системе.

В отношении самовозбуждения генератора следует отме­ тить, что нарастание колебаний будет происходить до тех пор, пока процессы приращения энергии волны за счет уси­ ления и уменьшения за счет потерь в резонаторе не уравня­ ются. Равенство наступает за счет падения усиления из-за уменьшения степени инверсии (т. е. избыточной населенно­ сти верхнего уровня энергии по сравнению с нижним), кото­ рое, в свою очередь, является следствием увеличения числа

.актов вынужденного излучения при нарастании колебаний. Потери в резонаторе для облегчения самовозбуждения ста­ раются по возможности уменьшить, т. е. добиваются наи­ большей добротности, хотя это и не всегда выгодно с точки зрения повышения стабильности частоты генератора. Одна­ ко даже теоретические значения добротности для употреби­ тельных типов колебаний не превышают 2 - 1 0 4.

Таким образом, условие самовозбуждения молекулярного генератора, при котором мощность колебаний в резонаторе растет до величины, определяемой эффектом насыщения,

105-

а запасенная энергия равномерно распределена по объему резонатора Vo и равна

частотного поля, при которой время жизни молекул в воз­ бужденном состоянии равно времени пролета молекулами

Полученное соотношение позволяет найти число активных молекул, пролетающих через резонатор в единицу времени при заданной добротности резонатора или, исходя из имею­ щейся интенсивности пучка, определить требуемую величину

добротности.

Как уже указывалось выше, обычно добротность бывает

2 - 10й молекул в секунду. Такой поток возбужденных моле­ кул обеспечивается при интенсивности исходного потока из источника пучка порядка 1018 молекул в секунду. Это объ­ ясняется тем, что в исходном пучке во вращательном состоя­

106

нии 3—3 аммиака находится не более 6 % молекул и что только около 1 % от всех вылетевших из первой камеры мо­ лекул достигает резонатора. Мощность генератора при таких интенсивностях пучка имеет величину порядка 10_ш Вт.

Если условие самовозбуждения не выполняется, прибор будет работать как усилитель мощности с малым коэффи­ циентом шума.

Наиболее важной характеристикой молекулярного гене­ ратора является стабильность генерируемой им частоты. Эта величина обычно характеризуется относительной нестабиль-

Величину Av находят за определенный период времени и со­ ответственно различают относительную нестабильность ча­ стоты за 1 секунду, минуту, час и т. д.

В электронных приборах СВЧ стабильность частоты опре­

В молекулярных генераторах сочетаются две резонанс­ ные системы — молекулы и объемного резонатора. Если квантовый генератор работает в режиме малых амплитуд и при небольших расстройках резонатора, то в первом прибли­ жении его частота v определяется по формуле

Отсюда видно, что при одной и той же расстройке резо­ натора относительно частоты vo уход частоты будет тем мень­ ше, чем больше добротность линии и меньше добротность резонатора. Поэтому для увеличения стабильности частоты молекулярного генератора следует стремиться уменьшать ширину спектральной линии Avn и использовать малодоброт­ ные резонаторы. Однако в последнем случае затрудняется возбуждение генератора и на практике все же используют максимально достижимые добротности резонатора.

Высокая стабильность молекулярных квантовых генера­ торов достигается в основном за счет малой ширины линии Avn- В реальных условиях ширина линии молекул аммиака в генераторе составляет 3-=-5 кГц, что соответствует относи­ тельной ширине (I—2) • Ю~ 7 и добротности линии (0,5—

107

Соответственно и влияние расстройки резонатора на стабиль­ ность частоты генератора ослабляется во столько же раз. Однако оно остается достаточно большим, и достижение вы­ сокой стабильности частоты генератора возможно только в том случае, если стабилизировать во времени и частоту резонатора. На частоту молекулярного генератора оказы­ вают некоторое влияние интенсивность молекулярного пучка и величина напряжения на сортирующей системе. Поэтому для достижения высокой стабильности частоты молекуляр­ ного генератора необходимо стабилизировать также интен­ сивность молекулярного пучка и напряжение на сортирую­ щей системе или работать на линии 3— 2 аммиака либо на изотопном аммиаке 1 5 NH3, где влияние указанных факторов

гораздо меньше.

Важно обеспечить не только высокую стабильность ча­ стоты работающего генератора, но и высокую воспроизводи­ мость частоты от настройки к настройке, а также между раз­ личными образцами приборов одного типа. Во всех случаях воспроизводимость частоты генератора при работе на линиях с более простой структурой лучше (например, линия 3— 2 или линии изотопного аммиака 1 5 NH3).

При соблюдении всех мер, обеспечивающих стабильность частоты молекулярного генератора, она может быть доведена до величин порядка КП11. Воспроизводимость частоты двух однотипных генераторов при работе на линии 3—2 достигает значений в (2—3) • 10-11. При работе на линии 3—3 в одно­ пучковом генераторе' это расхождение значительно больше. Несовпадение частот различных по конструкции генераторов на аммиаке из-за влияния режима работы на форму линии

может доходить до 1 0 - 8 —1 0 ~9.

Так как другие типы квантовых стандартов частоты обла­ дают значительно лучшей воспроизводимостью частоты, то применение молекулярного генератора на аммиаке в каче­ стве эталона частоты не представляется рациональным. В то же время высокая стабильность частоты каждого конкрет­ ного образца генератора и хорошая воспроизводимость ча­ стоты от одного включения к другому'позволяют применять генератор в качестве радиоспектроскопа с высокой разре­

шающей способностью.

Из других типов пучковых молекулярных генераторов наиболее изучен молекулярный генератор на синильной кис­ лоте (HCN) и формальдегиде (НгС’Ю16). В молекулах HCN используется переход между первым возбужденным враща­

108

тельным состоянием и основным вращательным состоянием, длина волны которого лежит в районе 3,4 мм. В генераторе на формальдегиде "Также используются переходы между раз­ личными уровнями вращательного движения, длина волны которых лежит в области 4,14 мм. Оба генератора представ­ ляют интерес прежде всего как квантовые генераторы милли­ метрового диапазона длин волн.

Г л а в а 12

Генератор на пучке атомов водорода

Для работы водородного генератора используется пере­

тор работает на частоте порядка 1420 МГц (длина волны око­

ло 2 1 см).

Схема устройства генератора показана на рис. 53. Атомы водорода из источника атомарного пучка 1 попадают в сорти­ рующую систему 2, в которой (аналогично аммиачному гене­ ратору) атомы, находящиеся в возбужденном состоянии

о

няются в сторону. После прохождения сортирующей систе­ мы, благодаря действию которой в пучке атомов создается инверсное состояние, атомы поступают в накопительную кол­ бу 3, расположенную внутри резонатора 5, имеющего вывод

энергии 4.

Для получения атомарного водорода обычно использует­ ся высокочастотный разряд в водороде при давлении поряд­ ка 0,1—0,5 мм рт. ст. Выход пучка осуществляется через си­ стему каналов длиной 1 —1,5 мм и диаметром около 0,1 мм. Имеющиеся источники позволяют получить интенсивность пучка 1 0 16—Ю17 атомов в секунду.

109