2. КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И УСИЛИТЕЛИ РАДИОДИАПАЗОНА

Квантовые генераторы радиодиапазона.

Принцип работы молекулярного генератора основан на возникновении незатухающих колебаний в объемном резонаторе, настроенном на частоту излучения молекул, за счет индуцированного, излучения активных молекул. Пучок молекул, находящихся в состоянии с отрицательной температурой, пропускается через объемный резонатор с высокой добротностью (рис. IV.2). Резонатор должен быть настроен на частоту, близкую к частоте перехода молекул с возбужденного уровня на нижний энергетический уровень для данных активных молекул.

Рис. IV.2. Блок-схема молекулярного генератора на пучке молекул аммиака: 1 — источник молекулярного пучка; 2 — электростатическое сортирующее устройство; 3 — молекулу в симметричных состояниях; 4 — пучок молекул в возбужденном состоянии; 5 — объемный резонатор

Начало процессу генерации может быть положено за счет теплового излучения резонатора или спонтанного излучения одной из молекул в пучке.

В молекулярном генераторе обратная связь осуществляется через взаимодействие активных молекул, вновь поступающих в резонатор, с полем излучения, созданным другими молекулами.

Если потери энергии в резонаторе будут меньше мощности излучения, испускаемой пучком молекул, то в резонаторе запасается энергия, которая будет поддерживать возникновение незатухающих колебаний. Амплитуда колебаний в резонаторе будет увеличиваться до тех пор, пока не наступит эффект насыщения, играющий в молекулярном генераторе роль нелинейности.

В начальный период генерации состав испускаемых квантов по частоте определяется шириной спектральной линии, а в последующие моменты времени интенсивное излучение молекул будет происходить на частоте колебаний, соответствующей вершине линии. Это приводит к тому, что несмотря на то, что молекулы имеют определенную ширину спектральной линии, степень монохроматичности излучения генератора весьма высока. Ширина линии определяется

главным образом соударениями между молекулами и эффектом Допплера.

Существует несколько способов получения пучков молекул, находящихся в состоянии с отрицательной температурой.

В молекулярных генераторах используется в основном специфический метод получения состояний с отрицательной температурой, применимый только к газам. Населенность молекул в пучке газа инвертируется вне объемного резонатора генератора, т. е. вне резонатора производится сортировка Молекул по состояниям. В резонатор поступают уже молекулы, находящиеся в возбужденном состоянии, здесь они взаимодействуют с полем излучения и затем выводятся из него. При поддержании непрерывного потока молекул через резонатор осуществляется непрерывная генерация.

Для сортировки молекул газа по состояниям в молекулярном генераторе используется метод отклонения молекулярных пучков в магнитном или электрическом поле (явления Зеемана или Штарка) в зависимости от природы разделяемых уровней.

Важнейшей задачей, возникающей при разработке молекулярных генераторов, является выбор активных молекул и нахождение путей их сортировки по состояниям [8]. В качестве активного вещества в генераторах используются аммиак, водород, формальдегид синильная кислота пары рубидия. В большинстве приборов используется аммиак, поскольку интенсивные спектральные линии его лежат в удобном для работы сантиметровом диапазоне длин волн.

Конструктивно молекулярный генератор состоит из трех основных частей: источника молекулярного пучка, устройства для сортировки молекул и объемного резонатора.

Все устройство помещается в металлический корпус, внутри которого поддерживается высокий вакуум ( мм рт. ст.).

Для сортировки частиц в генераторе на аммиаке пучок молекул пропускается через квадрупольный конденсатор (используются шести- или восьмипольные конденсаторы). Неоднородное электрическое поле, создаваемое таким конденсатором, фокусирует молекулы, находящиеся на верхнем уровне энергии, и дефокусирует молекулы, находящиеся на нижнем уровне. После прохождения через конденсатор пучок состоит преимущественно из молекул, находящихся на верхнем уровне энергии. В генераторе на пучке атомов водорода для сортировки используется шестиполюсный магнит.

Ширина спектральных линий, используемых в молекулярных генераторах, составляет Время работы генератора ограничивается временем испарения жидкого азота, применяемого для охлаждения.

Мощность, излучаемая молекулярным генератором с молекулами аммиака, составляет Вт. Относительное изменение частоты двух генераторов за 1 с составляет и за время в несколько часов

Частота генерации молекулярного генератора определяется: собственной частотой и добротностью объемного резонатора, интенсивностью молекулярного пучка, шириной и формой спектральной линии. Ширина спектральной линии состоит из естественной и допплеровской, а также зависит от уширения, связанного с конечным временем взаимодействия молекул с полем излучения.

Наибольшее влияние на частоту генерации оказывает собственная частота объемного резонатора. Стабильность частоты генератора может быть повышена за счет улучшения конструкции генератора, а также получения пучков медленных молекул (т. е. молекул со скоростями, значительно меньшими средней тепловой скорости при обычных температурах).

Генератор на пучке атомов водорода работает на частоте .

Частота перехода определяется по формуле

где Н — напряженность магнитного поля (в эрстедах).

Рис. IV. 3. Уровни энергии парамагнитного рабочего вещества трехуровневого усилителя

Мощность, излучаемая генератором, составляла при отношении сигнал/шум равном 20.