§ 143. МАЗЕРЫ

Мазерами называются генераторы-усилители электромагнитного излучения СВЧ диапазона. Первым мазером был так называемый пароструйный мазер на молекулах аммиака (рис. XXIV.3). Для создания активной среды в аммиачном мазере применяется метод сортировки, а генерация (усиление) излучения происходит на переходе между двумя возможными состояниями молекулы с соответствующей частотой 23,87 ГГц .

Для выделения молекул с большей энергией (создания активной среды) можно использовать неоднородное электрическое поле, поскольку на молекулу с дипольным моментом действует сила Направление этой силы не зависит от направления поля, но определяется тем, в каком энергетическом

Рис. XXIV.3. Схема аммиачного мазера (а) и конфигурация электрического поля в сепараторе (б). 1 — объем с жидким аммиаком; 2 — нагреваемый объем с парообразным аммиаком; 3 — коллиматор; 4 — сепаратор; 5 — резонатор.

состоянии находится молекула (знак перед коэффициентом а). Для разделения состояний служит квадрупольный конденсатор (см. рис. , представляющий собой четыре параллельных линейных проводника, на которые «крест-накрест» поданы положительный и отрицательный потенциалы, одинаковые по величине.

Задача 1. Описать движение цилиндрического потока молекул аммиака, поступающего в квадрупольный электрический конденсатор.

Вводя систему координат, как показано на рис. XXIV.3, б, найдем поле вблизи оси конденсатора:

где V — разность потенциалов между полюсами конденсатора; 2а — расстояние между ними. Движение диполя массы М в таком поле описывается уравнением

Решение этого уравнения (в пренебрежении начальными поперечными скоростями частиц) есть

где — продольпая компонента скорости частиц. Коллиматор (см. рис. XXIV.3, а) пропускает только те молекулы, у которых (на входе в коллиматор Этот результат означает, что молекулы —а (с большей энергией) будут колебаться вокруг оси конденсатора — «фокусироваться», а молекулы — дефокусироваться. Поставив на выходе конденсатора круглую диафрагму, можно выделить из потока молекулы с антипараллельиым дипольным моментом (сфокусированные), находящиеся в состоянии с более высокой энергией. Ясно, что выгодно использовать конденсатор длины такой что Таким образом, на выходе квадрупольного конденсатора (сепаратора) преобладают молекулы в верхнем энергетическом состоянии.

Таблица 3. (см. скан) Генератора стандартных частот

Отметим, что в методе сортировки параметры накачки (см. (141.13) и текст выше) равны: — плотность пучка молекул в верхнем возбужденном состоянии, порядка времени пролета молекул через резонатор.

Другим примером является водородный мазер. Принцип его действия и устройство аналогичны, а основное отличие связано с тем, что атомы водорода в возбужденном состоянии имеют магнитный, а не электрический дипольный момент. Поэтому в водородном мазере используется квадрупольный магнитный сепаратор (см. § 57). Атомарный пучок водорода получают, расщепляя молекулы в электрическом разряде. Ширина линии генерации типичного водородного мазера примерно 1 Гц, а частота генерации мазера 1,4204057 см). Эти мазеры служат как правило, в качестве, стабильных генераторов частоты (стандарты частоты).

Наша промышленность выпускает два типа таких генераторов, параметры которых приведены в табл. 3.

Назовем еще один молекулярный генератор, с 1977 г. применяемый в службе времени СССР в качестве стандарта частоты — цезиевый мазер (частота рабочего перехода сортировка в неоднородном магнитном поле). Сложный комплекс радиотехнических устройств, в котором для непрерывного отсчета используется водородный мазер, а для его калибровки — цезиевый, обеспечивает стабильность отсчета времени с за сутки

Стандарты частоты необходимы для различных измерений, требующих прецизионного отсчета времени. Один такой пример — синхронизация записи сигналов в радиоинтерферометрах — мы уже приводили в § 130. Другим примером являются эксперименты по проверке специальной теории относительности, ставшие доступными при скоростях современных самолетов и ракет благодаря молекулярным генераторам (задача 2).

Задача 2. Два самолета облетают с одинаковой скоростью земной шар вдоль экватора в противоположных направлениях. При какой точности изме рения времени можно зарегистрировать релятивистский «эффект близнецов»? Разность собственных времен обоих самолетов

где — время облета земного шара в инерциальной системе, связанной, например, с центром Земли, скорость вращения Земли на поверхности экватора, тыс. км — периметр Земли по экватору. При скорости самолета 1000 км/ч время облета составляет 40 ч и необходимая относительная точность равна 3-10-12. Подобный эксперимент был осуществлен в 1972 г.

Другим распространенным типом мазеров являются твердотельные. В них в качестве активной среды применяется диэлектрик с примесью парамагнитных ионов (например, ионы в которых и создается инверсная заселенность. В этих мазерах возможно некоторое изменение частоты с помощью внешнего магнитного поля. Используемый механизм накачки СВЧ-излучением требует охлаждения активного вещества до очень низких (гелиевых) температур.

Твердотельные мазеры получили наиболее широкое применение в качестве усилителей в антенных приемниках СВЧ-диапазона. Обычно они устанавливаются в фокусе антенного зеркала, а усиленный сигнал передается по волноводу или коаксиальному кабелю в регистрирующее устройство. Такие усилители — обязательный элемент для устройств дальней (особенно космической) связи, радиоинтерферометров, радиолокаторов с большой дальностью действия и высоким пространственно-временным разрешением.