- •Электронные и квантовые приборы свч
- •Глава 1 Общие сведения по электронным и квантовым приборам свч и оптического дипазонов
- •Особенности свч и оптического диапазонов
- •1.2. Общие сведения об электронных и квантовых приборах свч и оптического диапазонов и их основных параметрах
- •1.3. Классификация электронных и квантовых приборов свч и оптического диапазонов
- •Глава 2 триоды и тетроды свч
- •2.1. Полный ток в промежутке между электродами и во внешней цепи электровакуумных приборов
- •2.2. Работа триода на свч
- •2.3. Применение триодов и тетродов свч
- •Глава 3 клистроны
- •3.1. Пролетный двухрезонаторный клистрон
- •3.2. Двухрезонаторные клистронные генераторы
- •3.3. Многорезонаторные клистроны
- •3.4. Применение многорезонаторных клистронов
- •3.5. Отражательный клистрон
- •Глава 4 лампы бегущей волны типа о (лбво)
- •4.1 Принцип работы лампы бегущей волны
- •4.2. Замедляющие системы
- •4.3. Элементы линейной теории лбв
- •4.4. Параметры и характеристики лбв
- •4.5. Особенности устройства и применения лбв
- •4.6. Гибридные приборы типа о
- •4.7. Лампа обратной волны
- •Глава 5 приборы типа м
- •5.1. Движение электронов в скрещенных статических электрическом и магнитном полях
- •5.2. Взаимодействие электронов и свч поля
- •5.3. Лампа бегущей волны типа м (лбвм)
- •5.4. Лампа обратной волны типа м (ловм)
- •5.5. Многорезонаторный магнетрон
- •5.6. Митрон
- •5.7. Платинотрон
- •5.8. Приборы с циклотронным резонансом
- •Глава 6 полупроводниковые диоды и транзисторы свч
- •6.1. Полупроводниковые диоды свч
- •Глава 7 лавинно-пролетные диоды (лпд)
- •Глава 8
- •Глава 9 физические основы квантовых приборов
- •9.1. Энергетические уровни
- •9.2. Квантовые переходы
- •9.3. Ширина спектральной линии
- •9.4. Возможность усиления и генерации в квантовых системах
- •9.5. Взаимодействие бегущих электромагнитных волн с активной средой
- •Глава 10 квантовые приборы свч
- •10.1. Квантовые парамагнитные свч усилители
- •10.2. Квантовые стандарты частоты (ксч)
- •Глава 11 лазеры
- •11.1. Оптические резонаторы
- •11.2. Условия самовозбуждения и мощность излучения лазера
- •11.3. Характеристики излучения в оптическом диапазоне
- •11.4. Газовые лазеры
- •11.5. Лазеры на твердом теле
- •11.6. Жидкостные и химические лазеры
- •11.7. Полупроводниковые лазеры
- •11.8. Методы модуляции излучения лазера
- •11.9. Применение лазеров в технике связи
- •Заключение
- •Основные обозначения
- •Список литературы
- •Предметный указатель
- •Оглавление
- •Глава 6. Полупроводниковые диоды и транзисторы свч………………………….………
10.2. Квантовые стандарты частоты (ксч)
Общие сведения. Все КСЧ основаны на использовании спектральных линий атомов и молекул в СВЧ диапазоне. В каждом КСЧ можно выделить два основных блока. Один из них обеспечивает наблюдение спектральной линии, т. е. является квантовым репером частоты. Во втором блоке частота репера преобразуется к необходимому значению. Реперы частоты подразделяются на активные и пассивные. Активный репер, генерирует колебания, частота которых определяется спектральной линией вещества, а пассивный репер по спектральной линии поддерживает постоянство частоты вспомогательного генератора. Соответственно квантовые стандарты частоты называют активными или пассивными. В КСЧ используются вещества с узкими спектральными линиями и с очень слабой зависимостью частоты квантовых переходов от внешних воздействий.
Пассивные квантовые стандарты частоты. К этим стандартам относятся стандарты с оптической накачкой и атомно-лучевые стандарты.
Стандарты с оптической накачкой. Рабочей средой таких стандартов служат атомы щелочных металлов рубидия или цезия. Схема пассивного стандарта частоты приведена на рис. 10.9. 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 возбуждается от СВЧ генератора с системой автоматической подстройки частоты. Прошедший через колбу свет регистрируется фотодетектором .
Принцип работы прибора можно пояснить с помощью диаграмм энергетических уровней (рис. 10.10.) На рис. 10.10а показано распределение Больцмана для населенности трех уровней рабочего вещества в колбе, когда через нее не проходит свет, а в резонаторе отсутствует СВЧ поле.
Переход соответствует оптическому диапазону, а диапазону СВЧ. Те же уровни и 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 перехода .
В результате воздействия на газ в колбе света с частотой увеличивается населенность уровня и уменьшается населенность уровня (рис. 10.10б), а свет поглощается.
Теперь предположим, что в резонаторе имеется СВЧ поле с частотой , равной частоте перехода . Так как населенность уровня больше населенности уровня (), то энергия СВЧ поля поглощается, населенность уровня уменьшается, а уровня возрастает. Следовательно, разность населенностей уровней и увеличивается и поглощение света возрастает. Поэтому ток фотодетектора уменьшается. Зависимость тока фотодетектора от частоты СВЧ генератора показана на рис. 10.96. При наблюдается наибольшее поглощение света. Рассмотренную зависимость поглощения света от частоты поля в резонаторе можно использовать для автоматической подстройки частоты (см. рис. 10.9а) СВЧ генератора под частоту перехода .
Атомно-лучевые стандарты. Работа атомно-лучевого стандарта основана на использовании магнитного момента атомов, обычно атомов цезия. Схема атомно-лучевого стандарта частоты показана на рис. 10.11. 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, обладающую магнитным моментом, в магнитном поле, действует сила, равная градиенту потенциальной энергии , но противоположная ему по знаку:
. (10.16)
Другими словами, частица в магнитном поле должна смещаться в область, где ее энергия становится меньше.
Если магнитное поле измеряется только в одном направлении , то вместо (10.16) следует записать
. (10.17)
Градиент поля определяется формой полюсов магнита. В однородном поле и, следовательно, . На рис. 10.11 градиент поля направлен вниз, так как поле увеличивается к нижнему полюсу. Величину и знак можно определить, если известны квантовые числа и , характеризующие полный магнитный момент атома и проекцию этого момента [25].
На рис. 10.11 показано движение атомов с учетом начальной расходимости потока. Предположим, что по одному и тому же направлению вверх из источника выходят атом с квантовым состоянием и атом с квантовым состоянием . Вследствие противоположного знака сил, действующих на эти атомы в неоднородном магнитном поле первого магнита , атом , уйдет вверх, а атом отклонится вниз, пересечет ось прибора в щели диафрагмы и войдет во второй магнит . В нем снова отклонится вниз, так как направления поля и градиента поля в обоих магнитах одинаковы. Следовательно, атом удалится от оси прибора.
Аналогично рассматривается движение атомов с состоянием и с состоянием , вышедших из источников под одинаковым углом вниз. Атом сразу уйдет вниз, а атом , пройдя весь прибор, удалится от оси.
Предположим теперь, что в резонаторе имеется СВЧ поле, частота которого совпадает с частотой квантового перехода состояний и . Под воздействием СВЧ поля атомы могут совершить вынужденные переходы. Если атом перейдет из состояния в состояние , то во втором магните изменится знак силы и этот атом отклонится к оси прибора. Аналогично переход атома из состояния в состояние сопровождается отклонением его к оси. Соответствующие траектории показаны на рис. 10.11 пунктирными линиями.
Число атомов, приходящих на детектор , очевидно, пропорционально сумме чисел переходов сверху вниз из состояния в состояние и снизу вверх из состояния в состояние при прохождении СВЧ поля резонатора.
В атомно-лучевом стандарте резонатор возбуждается от вспомогательного СВЧ генератора, частота которого может плавно изменяться в некоторых пределах. В процессе изменения частоты ток детектора изменяется таким образом, что его максимальное значение наступает при совпадении частоты с частотой квантового перехода между состояниями и . Эту зависимость можно использовать для создания схемы подстройки частоты генератора под частоту перехода .
Относительная стабильность атомно-лучевого стандарта на пучке атомов цезия лучше за сутки и за . Стандарт имеет высокую воспроизводимость частоты при включениях.
Активные квантовые стандарты частоты. Рассмотрим принцип действия квантового генератора на пучке атомов водорода, в котором для получения инверсии населенностей уровней используется метод пространственной сортировки.
Схема водородного генератора показана на рис. 10.12. Атомарный водород получается в камере источника в результате диссоциации молекул водорода. Поток атомов входит в сортирующую систему с неоднородным магнитным полем. Атомы с различными магнитными моментами сортируются в пространстве. Происходит это по тому, что атомы, обладающие магнитным моментом, под действием силы (10.16) смещаются в область, где их потенциальная энергия минимальна. В результате сортировки по состояниям в некотором объеме вблизи оси за сортирующей системой создается инверсия населенностей. Если интенсивность потока атома превышает пороговое значение то в резонаторе установятся СВЧ колебания.
Для ослабления влияния внешних магнитных полей на частоту перехода, а следовательно, и на стабильность частоты генератора резонатор помещен в многослойный экран .
Важной особенностью атомарного водорода является слабая зависимость внутреннего состояния атомов от числа соударений с такими материалами, как парафин или тефлон. В ячейках с тефлоновым пленочным покрытием атом водорода может испытать соударений, не изменив своего квантового состояния. Это позволяет увеличить время взаимодействия частиц с электромагнитным полем резонатора до секунды и скомпенсировать малость магнитного момента атома водорода. (Поэтому ячейки с тефлоновым покрытием получили название накопительных.) Это увеличение времени жизни частиц на уровне приводит также к сужению спектральной линии излучения (§ 9.3), что очень важно для повышения стабильности частоты. Однако рассеяние атомов при соударениях с покрытием ячейки превращает начальный параллельный поток атомов, вошедших в ячейку, в поток со всеми направлениями с максвелловским распределением скоростей, что должно приводить к доплеровскому уширению спектральной линии (§ 9.3). Этот нежелательный результат можно исключить, если сделать линейные размеры ячейки много меньше длины волны излучения. Частота водородного генератора . Этот генератор имеет наилучшие долговременную и кратковременную стабильности и воспроизводимость частоты и используется как первичный стандарт. Цезиевый атомно-лучевой стандарт также обладает высокой воспроизводимостью и долговременной стабильностью, но имеет недостаточную кратковременную стабильность. Этот стандарт также используется как первичный. Рубидиевый стандарт частоты с оптической накачкой (воспроизводимость ) требует калибровки по первичному стандарту.