Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ (2-е издание, 1979) (1152182), страница 43
Текст из файла (страница 43)
Низкий уровень этих шумов объясняется тем, что вероятность спонтанныхпереходов, зависящая от куба частоты, в радиодиапазоне по сравнению с оптическимдиапазоном незначительна. В реальных условиях шумовая температура определяетсяшумами источника сигнала и элемента волноводного тракта на входе.
Общая шумоваятемпература в КПУ с бегущей волной составляет 5—10 К при температуре жидкого гелия.В резонаторных КПУ шумовая: температура выше: 20—100 К.19313.4. Особенности устройства и применения КПУУпрощенные схемы устройства КПУ рассмотрены в § 13.3. Отметим некоторыеособенности конструкции резонатора или замедляющей системы, системы охлаждениярабочего вещества и магнита.Конструкция резонатора зависит от свойств кристалла и от рабочего диапазона волн.Обычно используют полосковые резонаторы, так как их удобно располагать междуполюсами магнита.
В таких резонаторах также проще получить больший коэффициентзаполнения рабочим веществом. Замедляющие системы обычно выполняют в видештырей, расположенных в волноводе. Система обладает большим замедлением групповойскорости, широкополосностью, малыми потерями.Охлаждение КПУ до очень низких температур увеличивает время спин-решеточнойрелаксации и облегчает получение инверсии населенности.
Кроме того, с понижениемтемпературы уменьшается уровень шумов. Большинство КПУ работает при температурежидкого гелия 4,2 К при атмосферном давлении и 1,5—2 К при откачке паров гелия додавления 500—2100 Па, но есть КПУ с температурой жидкого азота или кислорода. Дляохлаждения 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 идолжно быть достаточно однородным и стабильным. В некоторых КПУ применяютмагниты со сверхпроводящими обмотками.КПУ с очень низким уровнем шумов используют в качестве высокочувствительныхСВЧ-усилителей в радиоастрономии, космической связи, радиолокации и в различныхлабораторных исследованиях.
Однако преимущество по чувствительности можнореализовать только при одновременном уменьшении уровня шумов в СВЧ-тракте передКПУ, например, применяя охлаждаемые циркуляторы и другие элементы. КПУ дляусиления большого сигнала непригодны из-за эффекта насыщения рабочего квантовогоперехода вещества.
Насыщение, приводящее к уменьшению коэффициента усиления,наступает при малых уровнях сигнала (10-8—10-5 Вт), однако динамический диапазонвходных 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-забольшоговременивосстановлениянормального режимаусиления послепрекращения сильного воздействия. Время восстановления сравнимо с временемпарамагнитной релаксации.
В качестве рабочего вещества используют рубин. На более194высоких частотах (в миллиметровом диапазоне) применяют рутил с примесью хрома илижелеза, для которого требуется меньшее магнитное поле. Время восстановления в КПУ срубином порядка 10-2 с, а с рутилом 10-3 с.Обычно полоса пропускания КПУ составляет 15—20 МГц.
Увеличение полосыдостигается в простейшем случае искусственным уширением спектральной линиивещества или коррекцией частотной характеристики СВЧ-тракта. Наиболее эффективнымоказался способ уширения линии созданием неоднородного магнитного поля по длинеили поперечному сечению вещества.
В простейшем случае применяют два участка сразличным полем. Например, достигнута полоса 150 МГц при коэффициенте усиления 25дБ и ожидается получение полосы до 500 МГц. Очевидно, что в этом способе требуетсяприменение генераторов накачки с разными частотами (по числу участков) или счастотной; модуляцией (при непрерывном изменении магнитного поля).Переход к другой частоте сигнала вне полосы требует изменения частоты квантовогоперехода, т.
е. одновременного изменения магнитного поля и частоты генераторанакачки. В различных КПУ с бегущей волной диапазон такой перестройки составляет отнескольких до 20%.В настоящее время КПУ работают в диапазоне частот до 100 ГГц. Параметрынекоторых КПУ приведены в табл. 10.Резонаторные КПУ на частотах 1—10 ГГц при использовании рубина имеюткоэффициент усиления 15—30 дБ и полосу пропускания менее 1%.КПУ с бегущей волной имеют следующие типичные значения: коэффициент усиления20—30 дБ, полоса пропускания 15—20 МГц (менее 1%), диапазон перестройки 100—200МГц.
Однако достигнуты значения полосы на частоте 4,2 ГГц до 150 МГц (3,5%) идиапазона на 37,5 ГГц до 4,6 ГГц (22%).195Г л а в а 14 КВАНТОВЫЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ (КСЧ).|КСЧ разделяются на пассивные и активные. В пассивных КСЧ используетсяспектральная линия поглощения атомов или молекул. С частотой этой линии сравниваетсячастота вспомогательного генератора. Пассивные КСЧ, в которых имеется направленныйпоток атомов или молекул, называют атомно-лучевыми трубками. В активных КСЧпроизводится сравнение частоты вспомогательного генератора с частотой излученияквантовых генераторов.§ 14.1. Требования, предъявляемые к рабочей среде КСЧВ КСЧ используются вещества с узкими спектральными линиями и с очень слабойзависимостью частоты квантовых переходов от внешних воздействий.На ширину линии (см.
§ 12.2) влияют соударения между частицами и частиц состенками, 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 уровнейсверхтонкой структуры щелочных элементов ∆ν~10-13 Гц.Чтобы ослабить влияние соударений частиц на ширину линии, понижают давление газаи используют направленные потоки нейтральных атомов и молекул. Влияние соударениячастиц со стенками колбы может быть ослаблено введением дополнительного газа,увеличивающего время диффузии частиц к стенкам, либо применением специальныхпокрытий на стенках.Для КСЧ следует выбирать такие энергетические уровни вещества, на которыевнешние электрические и магнитные поля влияют очень слабо.
В некоторых КСЧприменяются магнитные экраны.Изменение частоты излучения, вызванное эффектом Доплера, определяется формулой(12.31). Относительное изменение частоты может составлять ~10-6, что для КСЧнедопустимо велико. Изменения частоты нет, если фазоваяскорость в формуле (12.31) бесконечно велика. Этот способиспользуется в КСЧ с пучками атомов и молекул. Обычно в такихКСЧСВЧ-колебаниявозбуждаютсявцилиндрическомрезонаторе, 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. Вслучае параллельного пучка частиц, ось которого совпадает сосью резонатора, эффект Доплера отсутствует.Очень важной и специфической для КСЧ причиной уширения спектральной линииявляется влияние времени пролета частиц в резонаторе, не рассмотренное в § 12.2.При взаимодействии СВЧ-поля резонатора и частиц происходят вынужденныепереходы.
Следует ожидать, что вероятность перехода частиц из возбужденногосостояния 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 всостояние 1 также мала. С увеличением τ W21 растет, при некотором значении τ' достигаетмаксимума, а затем спадает до минимального значения, которое наступает при τ=τ".Минимум означает, что при времени пролета τ" частица имеет наибольшую вероятностьвернуться снова в возбужденное состояние 2 и т.
д. Зависимость W21 от τ должна бытьпериодической.196Наличие времени пролета должно приводить к модуляции интенсивности излучения иувеличению спектра частот, который можно оценить формулой ∆ν≈1/τ. Время τ связано сдлиной резонатора l и скоростью частиц ν (τ=l/ν). Для уменьшения ν следует увеличиватьдлину резонатора и уменьшать среднюю скорость частиц. Оказывается, такой жерезультат можно получить при замене одного резонатора с длиной l двумя небольшимирезонаторами, расположенными на том же расстоянии l, если только колебания в этихрезонаторах сфазированы.
Возможна также замена одного резонатора изогнутымволноводом со щелями для прохождения пучка, если расстояние между щелями осталосьравным l. Такой вариант изображен на рис. 14.4.§ 14.2. Пассивные квантовые стандарты частотыСтандарты с оптической накачкой. Рабочей средой таких стандартов служат атомы щелочныхметаллов рубидия или цезия. Схема пассивного стандарта частоты приведена на рис. 14.2,а. Вкачестве источника света используют газосветную лампу с парами рубидия (или цезия). Вобъемном резонаторе находится колба также с парами рубидия (или цезия).
Излучениегазосветной лампы попадает в колбу после прохождения оптического фильтра. Резонаторвозбуждается от СВЧ-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 уровнейрабочего вещества в колбе, когда через нее не проходит свет (нет накачки), а в резонатореотсутствует 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 тамнаходится тот же газ. Поэтому излучение источника имеет частоты, соответствующиеуказанным уровням.
С помощью оптического фильтра выделяется излучение с частотой ν32перехода 3—2.В результате воздействия света (накачки) с частотой ν32 на газ в колбе увеличиваетсянаселенность уровня 3 и уменьшается населенность уровня 2. При достаточной интенсивностисвета поглощение света приведет к насыщению перехода 3—2, населенности его уровней197становятся равными (см. рис. 14.3,б). Газ в колбе перестанет поглощать свет, ифотодетектор зарегистрирует максимум интенсивности.Теперь предположим, что в резонаторе имеется СВЧ-поле с частотой fr , равной частоте ν21перехода 2—1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
