Borovik-ES-Eremenko-VV-Milner-AS-Lektsii-po-magnetizmu (1239152), страница 60
Текст из файла (страница 60)
Зарубежное название таких усилителей прямо отражает эту идею. Слово тазег составлено из первых букв слов, определяющих процесс: М!сгокчаче ашр1111са11оп 6у знпш1а1ед епнзгйоп о1 гас)1а1)оп (усиление микроволн с помощью 1О Б.С. Боровик в др. 290 Рл 17 Злекыроииый и ядерный иираиагиигиный резонанс ',и, Рис 17.27 Трехуровневая система, находящаяся в тепловом равновесии индуцированного излучения). Предельная чувствительность любого усилителя определяется так называемым уровнем собственных шумов, т. е. собственным излучением усилителя.
В квантовых усилителях этот уровень очень низок, так как самопроизвольные переходы весьма маловероятны, а частоту переходов, вызванных взаимодействием с другими степенями свободы, можно уменьшить, понижая температуру. В действительности проблема технически достаточно сложна, поскольку свойства квантового перехода должны удовлетворять ряду требований, иногда противоположных. Главным является способ получения превышения заселенности верхнего уровня над нижним. Развитие квантовых усилителей резко ускорилось после того, как Н.Г.
Басов и А.М. Прохоров предложили так называемый трехуровневый метод получения избыточной заселенности [92]. Существо этого метода будет рассмотрено ниже. Широкое практическое использование подобных усилителей привело к появлению обширной литературы ]61, 93], и мы не ставим своей целью сколько-нибудь подробное рассмотрение данной проблемы; постараемся лишь дать общее представление об устройстве этих крайне важных приборов.
Как правило для квантовых парамагнитных усилителей используются парамагнитные ионы, присутствующие в виде неболыпой примеси в диамагнитном кристалле. На рис.17.27 изображены три уровня энергии, которые можно выбрать из большого числа компонент зеемановского мультиплета. Если парамагнитные ионы находятся в тепловом равновесии с кристаллической решеткой, то среднее число ионов, находящихся в том или ином энергетическом состоянии, определяется ,о ~"~ больцмановским распределением. Это распределение условно приведено на л рис. 17.27, где длина каждой горизонтальной линии пропорциональна насе1 и( пенности данного уровня.
Как уже упоминалось, в твердом теле, если даже самопроизвольные переходы запрещены, переходы между уровнями происходят за счет взаимодействия с колебаниями кристаллической решетки. Частоту этих переходов можно характеризовать обратной величиной времен релаксации тнь таы т~з, тзы таз, тзз. Из принципа детального равновесия следует связь между вероятностями прямых и обратных переходов: т„]тл = п,гии, но никаких связей между величинами тщ, тгш таы определяющих заранее их соотношение, нет, они могут различаться очень сильно.
В квантовом усилителе вещество подвергается интенсивному воздействию высокочастотного излучения, имеющего частоту и~з. Если ! 79. Кеантоеые паримагнитные усилители 29! интенсивность этого излучения, носящего название излучения подсветки, достаточно велика, то достигается насыщение резонансного поглощения, при котором концентрации в состояниях ! и 3 практически выравниваются. При этом, поскольку заселенность уровня 3 больше равновесной, увеличивается число переходов 3-2, что вызывает увеличение концентрации на уровне 2 сверх равновесной; соответственно увеличивается и число переходов 2 — 1. Если теперь предположить, что времена релаксации тзи и ти~ существенно различаются, то может получиться не просто увеличение заселенности, а ее обращение, при котором заселенность вышележащего уровня больше, чем нижележащего. Предположим, например, что тэз < тш, тогда накачка подсвечивающим излучением в состояние 3 приведет в конечном счете к увеличению числа частиц в состоянии 2 так, что оно окажется больше числа частиц в состоянии 1.
Если вещество облучить слабым потоком излучения с частотой р|г, то оно вызовет индуцированные переходы с уровня 2 на уровень 1 и мы получим усиление. Частота иш в этом случае носит название частоты сигнала, а частота изз — частоты холостого перехода.
Если имеет место обратное соотношение времен релаксации, тзз > тгы то можно добиться превышения концентрации атомов в состоянии 3 над их числом в состоянии 2 и в этом случае получить усиление на частоте низ Таким образом, главный вопрос практического использования— получение соответствующего соотношения времен релаксации.
Для подбора подходящих уровней широко используют зависимость их положения от величины магнитного поля и анизотропию ег-фактора, вызывающую зависимость частоты перехода от ориентации магнитного поля относительно осей кристалла. К сожалению, простой подбор уровней не дает достаточно хороших результатов; обьщно отношение времен релаксации близко к единице и лишь в исключительных случаях достигает пяти. Поэтому приходится прибегать к различного рода искусственным приемам для увеличения этого соотношения.
Рассмотрим один из таких приемов, носящий название метода примесей. Идея его заключается в том, что к веществу, содержащему в небольшой концентрации основной парамагнитный ион, добавляют другой сорт парамагнитных ионов, частота одного из переходов котоРых совпадает, напРимеР, с частотой йзз длЯ основного иона, нли за счет анизотропии д-фактора добиваются совпадения частот двух переходов для одного и того же иона.
Рассмотрим метод примесей на примере кристалла этилсульфата лантана с примесью парамагнитных ионов гадолиния (0,5'уе) и церия (0,2;4). На рис.17.28 приведена зависимость резонансного значения магнитного поля для частоты 6,298 10э Гц от угла между полем и осью кристалла.
Стрелками отмечены углы, при которых наблюдается |о' 292 Гя. 17. Электронный и ядерный пир«магнитный резонанс 2800 2500 2400 гп 2200 2000 1800 78 74 70 бб 62 58 54 Угол ориентации оси кристалла, град Рнс. 17.28. Часть спектра парамагнитного резонанса ионов Стг)~ ' (1) и Сея+ (2) в этилсульфате лантана для частоты б,298 ГГц совпадение частот переходов. Диаграмма энергетических уровней для этих условий в точках А и В дана на рнс. 17.29. Вдали от точек пересечения А и В времена релаксации переходов — 3/2 «ч — 11'2 и — 1/2 «ч +112 примерно одинаковы.
В точке А время релаксации холостого перехода — !/2 +1/2 уменьшается в 5 раз, а в точке  — в !О раз. Рнс. 17.29. Схема энергетических уровней, иллюстрирующая метод примесей Столь резкий эффект уменьшения времени релаксации, повидимому, получен потому, что в выбранной области концентраций время релаксации резко уменьшается при увеличении концентрации из-за увеличения спин — спинового взаимодействия. Как показывает опыт, увеличение концентрации гадолиния в два раза уменьшает время релаксации на порядок. Совпадение частот переходов в точках А и В эквивалентно увеличению эффективной концентрации для перехода — 1/2 +1/2 в два раза при сохранении ее неизменной 7 СЫз 1 Сгб 2 э А 2 « 2 Случай блйзких 3 уравнен 2 (точка А) 1 Се" 2 Случай «присадкиэ (точка 8) 293 ! 7.9.
Квантовые парамагнитние усилители для остальных переходов. Использование рассмотренного вещества в точке В в усилителе с бегущей волной (см. ниже) позволило получить усиление в три раза на каждый сантиметр длины усилителя, что при разумной длине усилителя позволяет легко достичь усиления в 10з раз. Обычным материалом для квантовых усилителей является рубин, представляющий собой кристаллы А!зОз, с примесью от нескольких сотых до нескольких десятых процента ионов Сгзт.
Хотя его применение дает результаты, несколько худшие, чем на описанном выше веществе, он гораздо удобнее технологически, прочен и легко спаивается с металлами. Аппаратурное оформление парамагнитных усилителей в своей основной части мало отличается от аппаратуры для наблюдения ЭПР. Активное вещество помещается в резонатор и соединяется в схему с циркулятором в случае использования отражательного резонатора (см. рис. 17.14).
При использовании проходного резонатора применяются ферритовые вентили для отделения входа усилителя от выхода (рис. 17.30). Рнс.!7.30. Схема квантового усилителя с проходным резонатором: 1 — вен- тиль; 2 — резонатор; 3 — кристалл Недостатком усилителей с резонаторами является сравнительно узкая полоса пропускания. Ее можно значительно расширить, использовав квантовый усилитель на бегущей волне, показанный на рис. 17.31. Для увеличения взаимодействия активного вещества усилителя с бе- Вход 2 Выход — хр 1 Рнс. 17.31. Схема квантового усилителя бегущей волны: 1 — согласующая секция, 2 — волновод с периодической структурой, 3 — кристалл гущей волной необходимо существенно уменьшить скорость ее распространения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
