книги из ГПНТБ / Приемные устройства радиолокационных сигналов конспект лекций

ческие уровни вещества смещаются и даже могут расщепляться. Величина смещения уровней зависит как от напряженности при­ ложенного магнитного поля, так и от его ориентации относитель­ но кристаллической решетки вещества. Этот эффект называется эффектом Зеемана и может быть проиллюстрирован графиком

Аналогичный эффект, наблюдаемый при помещении некоторых веществ в постоянное электрическое поле, называется эффектом Штарка. '

5.3. Взаимодействие веществах переменным электромагнитным полем

Из частотных условий Бора следует, что существует связь между разностью энергий уровней и-энергией кванта электромагнитных колебаний, т. е. частотой этих колебаний.

Если воздействовать на вещество переменным электромагнит­ ным полем (т. е. потоком квантов электромагнитной энергии), ча­ стота которого строго соответствует по частотным условиям Бора разности энергий какой-либо пары энергетических уровней, то ча­ стицы, находящиеся на нижнем уровне из этой пары уровней, вза­ имодействуя с квантами электромагнитного поля, будут поглощать их и переходить на верхний уровень, так как их энергия увеличит­ ся как раз на величину, равную разности энергий уровней. Части­ цы, находящиеся на верхнем уровне, взаимодействуя с квантами, под их воздействием будут переходить на нижний уровень и излу­ чать кванты электромагнитной энергии синфазно (когерентно) с квантами воздействующего поля/

Переходы частиц между уровнями, обусловленные воздействи­ ем электромагнитного поля, называют индуцированными перехо­ дами.

Основной величиной; характеризующей индуцированные пере­ ходы, является так называемая вероятность переходов. Это Ң£ ве­ роятность в известном, математическом понимании, а число, по­ казывающее,-сколько переходов в секунду совершает одна частица между двумя конкретными уровнями в одном направлении. Эта ве­ личина обозначается w с индексами уровней, между которыми со­ вершаются индуцированные переходы (например, w;J — число пе­

70

реходов в секунду, совершаемое одной частицей с уровня і на уро­ вень /).

Если нам известна населенность уровня, с которого совершают­ ся переходы, то, очевидно, общее число переходов за секунду равно произведению населенности на вероятность переходов Niw,-j.

Поскольку математическая вероятность взаимодействия кванта электромагнитного поля с частицами верхнего и нижнего уровней одинакова, то одинаковы и вероятности индуцированных .переходов с верхнего уровня на нижний и 9 нижнего уровня на верхний, т. е.

W l j — Wji-

Если на вещество, находящееся в состоянии термодинамическо­ го равновесия, воздействовать электромагнитным полем частоты, например f i3, то число перехода вверх будет равно N|йуіз, а чис­ ло переходов вниз N3w3i.

Так как в состоянии термодинамического равновесия при обыч­ ных температурах УѴі всегда больше N3, то, очевидно, число пере­

населенность верхнего уровня больше населенности нижнего. Такая пара уровней называется .возбужденной, а метод возбуждения на­ зывают трехуровневым методом Басова и Прохорова.

Из ранее сказанного следует, что чем больше частиц в началь­ ном состоянии находится на уровне W\, тем больше их перейдет на уровень W3 и тем большая разность населенностей будет. между уровнями W3 и W2. А наибольшее число частиц на уровне Wі в на­ чальном состоянии будет при низкой температуре вещества в соот­ ветствии с законом Больцмана.

Если теперь на пару возбужденных уровней W3 и W2 воздей­ ствовать слабым электромагнитным полем частоты f32, то будут иметь место индуцированные переходы между этими двумя уров­ нями. Поскольку N 3 > N 2, т о общее число переходов вниз будет

71

больше общего числа переходов вверх в единице объема N3w32> > N 2w23, так как йУз2 = ау2 з-

Следовательно, будет иметь место излучение энергии веществом и передача ее полю. Этот эффект называют индуцированным излу­ чением. Так как кванты энергии при индуцированных переходах излучаются когерентно с воздействующим электромагнитным по-, лем, то поле будет усиливаться (рис. 54).

Мощность индуцированного излу­ чения легко найти, зная энергию кванта hf32 и число квантов, пере­ даваемых веществом полю. Это чйс- 'ло равно разности числа переходов вниз и вверх в единице объема за секунду N'3w32—N2w23.

Произведение этой разности на энергию кванта и дает мощность индуцированного излучения из еди­ ницы объема вещества. Умножив'

полученное выражение на общий объем рабочего вещества, по­ лучим полную мощность индуцированного излучения.

Спектр индуцированного излучения у разных веществ разли­ чен и зависит от целого ряда факторов.

Во-первых, энергетические уровни не идеально однозначны, а в результате взаимодействия частиц между собой несколько размы­ ты, и энергия каждого уровня может быть записана в виде W,±hW- Следовательно, каждой паре уровней соответствует не строго одна частота, а целая полоса частот Д/щД/.

Во-вторых, в силу поступательного хаотического движения ча­ стиц в газах и жидкостях и колебательного в твердых телах воз­ никает доплеровский эффект, и частицы, движущиеся навстречу фронту электромагнитной волны, будут взаимодействовать с вол­ нами, частота которых ниже номинальной, а частицы, движущиеся -от фронта волны,— с волнами частоты выше номинальной.. Так, спектр индуцированного излучения у некоторых веществ достигает

сотен мегагерц. При использовании специальных мер в случае не­ обходимости этот спектр можно сделать очень узким (например,' в молекулярных генераторах достигают ширины спектра в доли герца).

Из всего сказанного выше можно сделать вывод, что для уси­ ления электромагнитного поля с помощью индуцированного излу­ чения необходимо выполнить ряд условий.

1 . Необходимо иметь рабочее вещество, у которого есть пар энергетических уровней с разностью энергий, соответствующей ча­ стоте электромагнитных колебаний, подлежащих усилению (часто­ те сигнала),

72

2.Рабочее вещество необходимо возбудить по выбранной паре уровней, для чего в нем должен быть еще третий, нижний уро­ вень, с которого под воздействием вспомогательного электромаг­ нитного поля (будем называть его полем накачки) следует пере­ вести частицы на верхний уровень из пары выбранных уровней.

3.Для увеличения эффекта возбуждения рабочее вещество не­ обходимо охладить до очень .низких температур.

4.Длятого чтобы взаимодействие вещества и поля быдо дли­

тельным, надо поместить рабочее вещество либо в пучность стоя­ чей волны поля в резонаторе (пучность магнитной или электриче­ ской составляющей поля в зависимости от природы вещества), либо обеспечить длительное взаимодействие бегущей волны с ра­ бочим веществом, располагая его вдоль замедляющей системы в волноводе.

5. Необходимо иметь возможность перестраивать рабочее ве­ щество, изменяя постоянное электрическое или магнитное поле так. чтобы разности энергий уровней (а следовательно, и частота) менялись в нужных пределах.

5.4. Конструкция квантового парамагнитного резонаторного усилителя

Основой усилителя является рабочее вещество, в качестве ко­ торого чаще всего используется окись алюминия — сапфир (А12 0 3). в кристаллической решетке которого часть ионов алюминия заме­ нена ионами парамагнитного вещества хрома (Сг) +3 . Получается кристалл рубина (А12 0 3 Сг2 0 3).

Рабочими переходами служат переходы, обусловленные маг­ нитными моментами парамагнитных ионов хрома. Ионы хрома в рубине имеют значительное число энергетических уровней, раз­ ность энергий которых соответствует длинам волн электромагнит­ ных колебаний 43, 21 см, 10, 3 см и т. д. Возможны и другие ра­

Возбуждение осуществляется по методу трех уровней. Источ­ ником электромагнитных колебаний частоты накачки служит ма­ ломощный (10—30 мВт) клистрон.

Рабочее вещество помещено в объемный резонатор, способный резонировать на частотах сигнала и накачки на разных типах колебаний. Разрез резонатора и поле частоты накачки показаны на рис. 55,а, а поле частоты сигнала на рис. 55,6. На рис. 56 изо­ бражена конструкция резонаторного усилителя.

Рабочее вещество 1 помещено в резонатор 2 в пучности магнит­ ных составляющих полей сигнала и.накачки. Электромагнитные колебания накачки и сигнала подводятся в резонатор по двум

73

жестким коаксиальными линиями, связанным с резонатором — первая штырем, а вторая петлей.

Рис. 55 а,б

Для охлаждения резонатор помещен в сосуд Дьюара 3, напол­ ненный жидким гелием с температурой кипения 4°К. С целью по-

Рнс. 56

нижения температуры сосуд герметизирован и из него производит­ ся откачка паров гелия. Благодаря понижению давления, удается снизить температуру до 2°К (—271° по Цельсию).

Для уменьшения испарения жидкого гелия сосуд помещен во

74;

энергетических уровней соответствовала требуемым частотам сиг­ нала и накачки.

торой они поступают в резонатор, то для разделения входного и выходного сигнала поставлен циркулятор 6.

При наличии циркулятора усилитель работает?«на отражение». Возможен вариант включения усилителя «на проход», при кото-, ром к резонатору подключены отдельно входная и выходная ко­ аксиальные линии и в них включены однонаправленные элементывентили. Этот вариант используется очень редко.

5.5. Качественные показатели усилителя

По своему принципу работы квантовый резонаторный усили­ тель относится к типу регенеративных усилителей, в которых уси­ ление сигнала осуществляется за счет внесения в резонатор на частоте сигнала добавочной энергии, пропорциональной по вели­ чине энергии поданного сигнала.

Процесс внесения энергии в резонатор эквивалентен внесению в резонатор некоторой эквивалентной отрицательной проводимости Чтобы найти эту проводимость, обратимся к связи между прово­

димостью и добротностью резонатора

и>Сэ

По определению, добротностью называется умноженное на 2п отношение энергии, запасенной в резонаторе, к мощности потерь за период. В соответствии с этим определением найдем доброт­ ность резонатора, обусловленную наличием в нем возбужденного рабочего вещества, излучающего энергию. Назовем эту доброт­ ность магнитной (так как вещество парамагнитное):

75

С учетом ранее сказанного получим

Практически величина коэффициента усиления усилителя вы­ бирается в пределах 15—25 дБ.

а) Полоса пропускания усилителя

Так как спектр электромагнитных колебаний, взаимодейству­ ющих с веществом,, значительно шире полосы пропускания резо­

/ 7 = __ !_______£=>_

2лС9Я, ~ 2кС3 '

где

Сэ и Пэ— соответственно эквивалентная емкость и полное экви­ валентное сопротивление резонатора;

=«§r9=grc + g - o i- ö = ^ (i- ß );

п _gi(‘—Р)

2*С, '

Нетрудно заметить, что коэффициент усиления мощности и по­ лоса пропускания взаимозависимы. Попытка увеличить коэффици­ ент усиления путем увеличения ß приведет к сужению полосы про­ пускания. ■

Практически полоса пропускания квантового парамагнитного резонаторного усилителя невелика и составляет 0,05—0,1% от не­ сущей при коэффициенте усиления мощности порядка 20 дБ.

б) Коэффициент шума усилителя

Основными источниками шума в усилителе являются шумы соб­ ственно резонатора, обусловленные тепловым движением свобод­ ных электронов в материале резонатора и спонтанное излучение квантов частицами (ионами хрома) за счет спонтанных переходов с уровня Ws на.уровень Ws.

I і

Средний квадрат шумового тока первого источника равен'

7шрез= 7 ш О ~ ^ Г р е э ' / 7 ш# оі-

Шумовой ток второго источника найдем, отнеся шумы рабо­ чего вещества к проводимости 0_, при некоторой температуре Тт ;

вая температура 8,7—11,6 К).

Это объясняется тем, что ® процессе усиления не участвуют сво­ бодные носители зарядов и связанный с ними дробовой эффект.

5.6. Понятие о квантовом усилителе бегущей волны

Распространенной разновидностью квантовых усилителей явля­ ется квантовый усилитель бегущей волны (рис. 58). В нем исполь­ зуется взаимодействие рабочего вещества с замедленной бегущей электромагнитной волной.

Конструктивно усилитель бегущей волны представляет собой от­ резок волновода / с расположенной вдоль него замедляющей си­ стемой на частоте сигнала 2. К началу замедляющей системы под­

78

сечения 3. Один конец волновода соединен с генератором накачки, а на втором конце расположена согласованная нагрузка (поглоти­ тель) 4.

Таким образом, в волноводе существует бегущая волна электро­ магнитных колебаний сигнала (вдоль замедляющей системы) и бегущая волна колебаний накачки.

Для устранения отраженной волны вдоль волновода располо­ жен еще один кристалл рубина с большим содержанием ионов хро­ ма (до 0,5—1%) 5, который в постоянном магнитном поле обладает вентильными свойствами. Вся система помещена в жидкий гелий. Постоянное магнитное поле создается соленоидом 6 из никель-цир- кониевого провода, расположенным непосредственно на волноводе я тоже находящимся в жидком гелии. Никель-цирконий при тем­ пературе жидкого гелия становится сверхпроводящим, что позво­ ляет уменьшить расход энергии и габариты.

Коэффициент шума и коэффициент усиления мощности кванто­ вого усилителя бегущей волны такие же,, как и у резонаторного усилителя, но полоса пропускания значительно шире (до сотни мегагерц в сантиметровом диапазоне волн).

Усилитель необратим, т. е вход и выход его не взаимозаменяе­ мы и, следовательно, не требуется постановки циркулятора или вен­ тилей.

Некоторым недостатком является то, что габариты волновода с замедляющей системой больше габаритов резонатора.

79