Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ (2-е издание, 1979) (1152182), страница 44
Текст из файла (страница 44)
Населенность уровня 1 больше населенности уровня 2 ( N 1 Б > N ' 2 ) , поэтомупроисходит поглощение энергии СВЧ-поля, населенность уровня 1 уменьшается, а уровня 2возрастет до N"2>N'2 (см. рис.14.3.в). Следовательно, равенство населенностей уровней 3 и 2нарушится, населенность N`3 станет меньше N"2, начнется поглощение света ифотодетекторзарегистрируетуменьшение интенсивности света. Зависимость токафотодетектора Iф от частоты СВЧ-генератора fг имеет вид, показанный на рис.
14.2,б. Приfг=ν21 наблюдается наибольшее поглощение света.Рассмотренную зависимость поглощения света от частоты поля fг в резонаторе можноиспользовать для автоматической подстройки частоты (АПЧ) СВЧ-генератора под частотуперехода ν21.Таким образом, принцип работы пассивного стандарта частоты с оптической накачкойсостоит в том, что, воздействуя на один энергетический переход, можно управлятьпоглощением излучения на частоте другого энергетического перехода.Параметры рубидиевого стандарта частоты с оптической накачкой приведены в табл.
11.Атомно-лучевые стандарты. Работа атомно-лучевого стандарта основана наиспользовании магнитных свойств атомов, обычно атомов цезия. Схема атомно-лучевогостандарта частоты показана на рис. 14.4. Пучок атомов с малой угловой расходимостьюсоздается источником. Пучок атомов входит в пространство между полюсами первогоотклоняющего магнита, где имеется резко неоднородное магнитное поле.Как известно, на частицу, находящуюся в магнитном поле, действует сила, равная повеличине градиенту потенциальной энергии: W, но противоположная ему по знаку:FM=–gradW.(14.1)Направление градиента — это направление роста энергии, поэтому знак минус означает,что сила действует в направлении убывания энергии.
Другими словами, частица в магнитномполе должна смещаться в область, где энергия частицы становится меньше.Если магнитное поле изменяется только в одном направлении r, то вместо (14.1) следуетзаписатьFM = −∂W∂W ∂H=−∂H ∂r∂r(14.2)198Градиент поля дН/дr определяется формой полюсов магнита. В однородном поле дН/дr =0 и,следовательно, FM=0. На рис. 14.4 градиент поля направлен вниз, так как полеувеличивается к нижнему полюсу. Величину и знак дН/дr можно определить по кривым,приведенным на рис.
14.5, где квантовое число F характеризует полный моментколичества движения атома, а квантовое число mF — проекцию этого момента.В магнитном поле отклоняющего магнита из всех 16 уровней сверхтонкой структурыатомов цезия энергия семи уровней увеличивается, семи уровней уменьшается, аоставшихся двух практически не зависит от поля, если оно невелико. Таким образом, всеатомы, кроме атомов этих двух состояний (F=4, mF=0) и (F=3, mF=0), удаляются из пучка.На рис.
14.4 показано движение оставшихся атомов с учетом начальной расходимости.Т а б л и ц а 11Предположим, что по одному и тому же направлению вверх из источника выходит атом А1с квантовым состоянием (4, 0 ). Вследствие противоположного знака сил, действующих наэти атомы в неоднородном магнитном поле первого магнита, атом А1 уйдет вверх, а атомА2 отклонится вниз, пересечет ось прибора в щели диафрагмы и войдет во второй магнит. Внем атом А2 снова отклонится вниз, так как направленияполя и градиента поля в обоих магнитах одинаковы.Следовательно, атом А2 удалится от оси прибора.Аналогично рассматривается движение атомов А3 ссостоянием (3, 0) и А4 с состоянием (4, 0 ) , вышедших изисточника под одинаковым углом вниз.
Атом A4 сразууйдет вниз, а атом А3, пройдя весь прибор, удалится от оси.Предположим теперь, что в резонаторе имеется СВЧ-поле,частота которого совпадает с частотой квантового переходасостояний (4, 0) и (3, 0 ) . Под воздействием СВЧ-поляатомы могут совершить вынужденные переходы. Если атомА2 перейдет из состояния (4, 0) в состояние (3, 0 ) , то вовтором магните изменится знак силы и этот атомотклонится к оси прибора. Аналогично переход атома А3 изсостояния (5, 0) в состояние (4, 0) сопровождаетсяотклонением его к оси. Соответствующие траекториипоказаны на рис.
14.3 пунктирными линиями.Число атомов, приходящих на детектор,очевидно,199пропорционально сумме чисел переходов сверху вниз из состояния (4, 0) в состояние (3, 0)и снизу вверх из состояния (3, 0) в состояние (4, 0) при прохождении СВЧ-поля резонатора.В атомно-лучевом стандарте резонатор возбуждается от вспомогательного СВЧгенератора, частота которого fг может плавно изменяться в некоторых пределах.
Впроцессе изменения частоты fr ток детектора изменяется таким образом, что егомаксимальное значение наступает при совпадении частоты fг с частотой энергетическогоперехода ν0 между состояниями (4, 0) и (5, 0) (см. рис. 14.5). Эту зависимость можноиспользовать для создания схемы подстройки частоты генератора под частоту перехода ν 0 .Некоторые характеристики атомно-лучевого стандарта на пучке атомов цезия приведены втабл. 11.
Относительная стабильность его лучше 2·10-13 за сутки и 5·10-11 за 1 с. Стандартимеет высокую воспроизводимость частоты (±3·10-12) при включениях.§ 14.3 Активные квантовые стандарты частотыМолекулярный генератор на аммиаке. Схема этого генератора показана на рис. 14.6,а.Направленный поток молекул аммиака создается в вакууме (10-3—10-4 Па) послепрохождения ими большого числа тонких каналов на выходе источника. В источник газподводится из баллона. Давление в источнике 0,1—1 Па.Квадрупольный конденсатор (рис.
14.6,б) состоит из четырех параллельно расположенныхметаллических стержней. Противоположные стержни имеют одинаковые по знаку ивеличине потенциалы.Электрическоеполе между стержнями максимально вблизистержней и равно нулю на оси симметрии.Пучок молекул аммиака вводится вдоль оси 00' квадрупольного конденсатора. Так какмолекула аммиака поляризуется в электрическом поле, то она взаимодействует с полемквадрупольного конденсатора. Движение поляризованных молекул в электрическом полеподобно движению атомов, обладающих магнитным моментом, в магнитном поле.Решая уравнение Шредингера, можно определить зависимость энергии частицы отнапряженности электрического поля.
Разность между энергией при наличии поля ∈ и безнего ∈0 равна потенциальной энергии. Частица, находящаяся на верхнем энергетическомуровне, увеличивает энергию с ростом напряженности поля, а на нижнем — уменьшает.Зависимость энергии от напряженности поля показана на рис. 14.7. На молекулу внеоднородном электрическом поле квадрупольного конденсатора действуетF=—grаd∈.(14.3)Эта формула аналогична (14.1). Знак минус означает, что сила действует в направленииуменьшения энергии частицы.200Таким образом, появляется сила F2=—grad∈2,стремящаяся собрать молекулы с энергией верхнегоуровня на оси конденсатора, и сила F2=—grad∈1,стремящаяся удалить от оси молекулы с энергией нижнегоуровня.
Поэтому на выходе конденсатора концентрациявозбужденных молекул около оси больше концентрацииневозбужденных молекул, т. е. получается инверсиянаселенностей уровней. Рассмотренный метод полученияинверсии населенности в газе называют методомсортировки. Центральная часть пучка с инверсиейнаселенностей попадает через входное отверстие внутрьрезонатора, настроенного на частоту рабочего перехода, соответствующего положениюуровней ∈20 и ∈10 при E=0 (см. рис.
14.7).Преобладание при инверсии населенностей вынужденных переходов молекул с излучениемэнергии над переходами с поглощением энергии приведет к самовозбуждению колебаний врезонаторе, если скомпенсированы потери в системе.Расчеты и измерения показывают, что амплитуда стационарного поля соответствует очень,малой мощности аммиачного генератора (около 10-10 Вт).Другие активные квантовые стандарты частоты. Из других активных стандартовследует отметить генератор на пучке атомов водорода, в котором для получения инверсиинаселенностей уровней методом сортировки используют неоднородные магнитные поля,создаваемые многополюсными магнитами. Форма полюсов подобна форме стержней вквадрупольном конденсаторе молекулярного генератора на аммиаке.Схема водородного генератора показана на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
