КВАНТОВІ ПАРАМАГНІТНІ ПІДСИЛЮВАЧІ

Посилення електромагнітної хвилі в квантових приладах НВЧ діапазону реалізується при взаємодії її з частинками активного парамагнитного речовини, в якому в результаті накачування створена інверсна населеність. Для ефективної взаємодії хвилі з середовищем необхідно збільшувати щільність потоку індукує випромінювання, оскільки ймовірність винужден-

Мал. 18.2

них переходів прямо пропорційно спектральної щільності потоку випромінювання (див. п. 17.1). У квантових парамагнітних підсилювачах (КПУ) щільність потоку індукованого випромінювання збільшується або за рахунок багаторазового проходження хвиль через середу (резонаторні підсилювачі, рис. 18.2, а, б), або внаслідок уповільнення хвилі (підсилювачі біжучої хвилі, рис. 18.2, в).

Резонаторні квантові парамагнітні підсилювачі (РКПУ).

Розрізняють декілька типів РКПУ: підсилювачі прохідного типу (див. Рис. 18.2, а), відбивної (циркуляторного) типу і багаторезонаторні, як правило, циркуляторного типу (рис. 18.2, б). Основні елементи перерахованих підсилювачів практично однакові. Пристрій прохідних і відбивних підсилювачів різниться способами поділу вхідних і вихідних трактів.

Для усунення самозбудження в прохідному КПУ на вході і виході включаються вентильні елементи. У КПУ циркуляторного (відбивної) типу вхідний і вихідний сигнали проходять по одному і тому ж волноводу (або коаксіальної лінії). Для розв'язки вхідний і вихідний ланцюгів в цьому випадку використовується циркулятор 1 (див. Рис. 18.2, б). Вхідний плече I циркулятора підключається до антени; сигнал, пройдений перший плече, надходить у другу, а потім в резонатор. Посилений за рахунок індукованого випромінювання в парамагнітному кристалі сигнал повертається через той же хвилевід в циркулятор і направляється в плече III і далі до навантаження. Такі напрямки вхідних і вихідних сигналів забезпечуються за рахунок навзамін елемента циркулятора, що представляє найчастіше феррит, що знаходиться в зовнішньому магнітному полі. Це пристрій з малими втратами пропускає тільки сигнали певної поляризації і напрямки, а оскільки вхідні та вихідні сигнали в плечі II мають протилежні напрямки і поляризацію, то вони поширюються зазначеним чином. Шуми, відображена неоднородностями частина потужності сигналів і інші паразитні коливання, що потрапляють з виходу по плечу III в циркулятор, поглинаються в узгодженому навантаженні 2.

Основним елементом КПУ є резонатор з активною речовиною (парамагнітним кристалом), одна з мод якого налаштована на частоту сигналу, а інша - на частоту накачування.

Інверсія заселеність створюється за рахунок опромінення кристала електромагнітної хвилею накачки, має частоту, велику частоти сигналу.

На рис. 18.2 не вказані криогенні системи охолодження. Без них КПУ не може працювати через наявність спін-спінової та спін-граткових релаксації, які безперервно прагнуть відновити теплову рівновагу спінової системи з кристалічною решіткою (спінової системою називається в цих умовах ансамбль з порушених парамагнітних іонів хрому). Магнітна система, необхідна для отримання зєємановських рівнів, позначена на малюнку вектором В.

Розглянемо більш докладно процеси в парамагнітному кристалі, пов'язані з отриманням інверсіїзаселеність і посиленням сигналу.

На рис. 18.3, а, б , які аналогічні за змістом схемами, показаним на рис. 18.1, зображені енергетичні діаграми іона хрому в решітці рубіна. За відсутності накачування і сигналу розподіл населеності всіх рівнів буде рівноважним і підкоряється закону Больцмана (штрихова експоненціальна (падаюча) крива на рис. 18.3, б), згідно з яким

п 1 / п } = е А ' ) / (/ ГТ) . на відміну від "орбітальних" енергетичних рівнів різниця енергій 1 - Е ^) між парамагнітним рівнями зазвичай менше характерної величини теплової енергії кТ.

Мал. 18.3

Будемо вважати, що квант електромагнітної хвилі накачки, опромінюючої кристал рубіна, має енергію Л / = Л / 13 , де / 13 - частота переходу з рівня 1 на рівень 3.

Під дією енергії накачування іони хрому збуджуються і переходять з рівня 1 на рівень 3. Будуть і зворотні переходи, однак на початковому етапі населеність рівня 3 зростає, а рівня 1 зменшується через його більшої заселеності в рівноважному стані. Цей процес триває до тих пір, поки населеності цих рівнів не зрівняються (п х = л 3 ), як показано на рис. 18.3, б вертикальної штриховий прямий. При цьому в обох напрямках буде відбуватися приблизно однакове число переходів, так що, поки на систему діє досить сильне випромінювання накачування, вона буде утримуватися в стані, далекому від теплового рівноваги, при цьому говорять, що перехід 1 - • 3 насичений.

У процесі насичення переходу 1 - 3 населеності рівнів 2 і 4 можуть дещо змінитися, так як зміна заселеність рівнів 1 і 3 впливає на релаксаційні процеси, в яких беруть участь рівні 2 і 4. Однак можна вважати, що ці зміни заселеність рівнів 2 і 4 незначні і ними можна знехтувати. Після насичення переходу / - * 3 встановлюється розподіл заселеність між чотирма рівнями, показане на рис. 18.3, б , з якого видно, що при п х = п л населеність другого рівня більше першого, т. Е. П 2 > п х . Отже, перехід 2 - • 1 характеризується "мінусовою температурою", або інверсією заселеність (похила штриховая пряма між рівнями 1 і 2). Якщо тепер на парамагнетичний

кристал (кристал рубіна) надходить слабкий сигнал з частотою / 12 такий, що Л / 12 = Е 2 - Е 19 то внаслідок індукованого переходу з рівня 2 на рівень 1 відбудеться посилення цього сигналу. У реальному кристалі кількість порушених іонів хрому в спину системі досить велике, тому середнє число переходів в одиницю часу, що викликається приходять сигналом, практично постійно, а процес посилення відбувається безперервно, незважаючи на те що перехід будь-якого окремого спина, індукований приходять сигналом, являє собою випадковий процес. Можна говорити про те, що окремий спін зробить перехід з певною ймовірністю під впливом приходить сигналу. Оскільки ймовірність індукованого випромінювання прямо пропорційна спектральної щільності енергії випромінювання (див. П. 17.1), то число випромінювальних переходів в одиницю часу прямо пропорційно початкового рівня потужності підсилюється сигналу. У певному діапазоні потужностей вхідного сигналу процес квантового посилення можна вважати лінійним.

Існує кілька методів, що дозволяють підвищити інверсію населеності в порівнянні з розглянутим випадком використання трирівневої системи. Перш за все при високих частотах сигналу інверсію бажано отримувати шляхом накачування на більш низькій частоті, оскільки генератори накачування на більш високих частотах менш вигідні з різних точок зору.

У парамагнитной спінової системі квантового підсилювача з чотирма або більшою кількістю робочих рівнів інверсію заселеність можна підвищити за рахунок одночасної накачування на двох або більше переходах, причому іноді для цих цілей можна використовувати один і той же джерело накачування. Найбільшого поширення набули методи з багаторазової накачуванням, пояснює рис. 18.4, особливо перший з них на рис. 18.4, а (метод пушпульний накачування) і різновид його на рис. 18.4, м Під впливом накачування відбувається одночасний перехід спінових систем (іонів хрому) з рівня 1 на верхній сигнальний (робочий) рівень 3 і з нижнього сигнального рівня 2 на рівень 4, т. Е. В цьому випадку на робочому переході відбувається заселення верхнього робочого рівня з одночасним звільненням нижнього, що і призводить до збільшення інверсії.

Розрахунки показують, що коефіцієнт інверсії при такій накачуванні пропорційний ^ f н / f c ) - 1, а в трирівневої системи цей коефіцієнт пропорційний (/ н / 2 / з ) - 1, де / н , f c - частоти накачування і сигналу відповідно . Для рубіна сіммет-

Мал. 18.4

ричная схема енергетичних рівнів (див. рис. 18.4), необхідна для пушпульний накачування одним джерелом, автоматично реалізується при вугіллі 0 між вектором В і віссю кристала, рівним 0 = 54 ° 44 '.

На рис. 18.4, б і 18.4, в показані дві схеми пушпушной накачування. В окремих приватних випадках коефіцієнт інверсії для цього випадку збігається з відповідним виразом для мазера з пушпульний накачуванням, але в будь-якому випадку він більше, ніж для трирівневого мазера.

До інших методів підвищення інверсії відносяться: використання явища крос-релаксації; скорочення часу релаксації; накачування на більш низьких частотах (наприклад, f і = " 12 < / 32 ( див * Р ис * 18.4, г)) гармонійна накачування, пов'язана з одночасним насиченням двох переходів (див. рис. 18.4, г).

Крос-релаксація являє собою процес обміну енергією між двома магнітними переходами, які належать до багаторівневої системи спинив.

Для посилення широкосмугових сигналів ефективність однорезонаторних підсилювачів виявляється недостатньою через малу смуги пропускання. Багаторезонаторні підсилювачі і підсилювачі біжучої хвилі дозволяють істотно збільшити частотну смугу підсилюються сигналів. Використання таких підсилювачів дає збільшення ефективності в кілька разів, а в послідовно-паралельною схемою - в десятки разів. На рис. 18.2, б представлена блок-схема підсилювача з двома пов'язаними резонаторами (контурами). Активна речовина може розташовуватися як у верхньому, так і нижньому резонаторі, але кращим є останнім розташування. На практиці використовується також складна схема з чотирьох послідовно-паралельно з'єднаних резонаторів.

Мазери біжучої хвилі (МБЧ).

МБЧ мають кращі параметри, ніж багаторезонаторні підсилювачі. Посилення в МБЧ виходить за рахунок тривалої взаємодії підсилюється сигналу з активною речовиною. Смуга пропускання підсилювача біжучої хвилі обмежена пропускною здатністю сповільнює системи і шириною контуру спектральної лінії робочої речовини. Як сповільнює системи (див. П. 13.3) часто застосовується гребенчатая структура, при використанні якої односпрямоване випромінювання досягається без помітного ускладнення конструкції приладу. Щоб отримати односпрямоване посилення, т. Е. Усунути відображення, викликані неузгодженістю на вході і виході, вводять спеціальний поглинач зворотної хвилі і певним чином мають у своєму розпорядженні активна речовина по відношенню до уповільнює системі (див. Рис. 18.2, в). На рис. 18.2, в введені такі позначення: 1 і 2 - вхідний і вихідний штирі зв'язку відповідно з джерелом сигналу і навантаженням; 3 - активна речовина (рубін);

  • 4 - навзамін елемент (зазвичай феррит в магнітному полі);
  • 5 - гребенчатая замедляющая система; 6 - хвилевід.

Уповільнює система, активна речовина і навзамін елемент розміщуються в відрізку хвилеводу 6 У який одночасно є нізкодобротного резонатором.

Накачування може бути здійснена з використанням волноводного перехідника або спеціального штиря, додатково введеного в секцію хвилеводу. На рис. 18.2 опущені такі елементи конструкції МБЧ, як магніт (електромагніт) та кріогенне пристрій для охолодження активної речовини.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >