Квантовые усилители радиодиапазона.

Одним из наиболее эффективных достижений квантовой радиофизики является создание квантовых парамагнитных усилителей, позволивших резко повысить чувствительность радиоприемных устройств [4—6, 9].

Действие парамагнитных усилителей и генераторов основано на использовании явления парамагнитного резонанса в твердых телах. Отличительной особенностью парамагнитных усилителей является их высокая чувствительность, предельно низкие шумы, возможность перестройки их рабочего диапазона длин волн в широких пределах и большая полоса пропускания.

Для усиления сигналов в радиодиапазоне (сантиметровом и дециметровом участках) в непрерывном режиме наибольшее распространение получили трехуровневые парамагнитные квантовые усилители. Для получения состояния с отрицательной температурой в этих усилителях используется метод вспомогательного высокочастотного поля. Пусть частицы имеют три спиновых уровня (рис. IV.3). В состоянии термодинамического равновесия наибольшей населенностью обладает наинизший уровень.

Для инверсии населенностей уровней используется вспомогательное электромагнитное излучение частоты (частота подсветки). Мощность этого излучения выбирается такой, чтобы достигалось насыщение, т. е. чтобы населенности уровней были приблизительно равными Тогда можно получить избыток частиц на уровне по отношению к уровню или на уровне по отношению к

В первом случае возможно создание усилителя сигналов частоты во втором — частоты

Условие возбуждения трехуровневого усилителя (условие индуцированного излучения на частоте имеет вид

причем — вероятности перехода между спиновыми уровнями под влиянием колебаний решетки.

Если имеет место обратное неравенство, индуцированное излучение будет происходить на частоте

Мощность, излучаемая парамагнитным веществом, определяется следующим уравнением:

где — вероятность перехода между уровнями

Рассмотрим случай усиления слабого сигнала на частоте когда и не имеется насыщения этого перехода. Усилитель можно охарактеризовать с помощью магнитной добротности, связанной с «магнитными» потерями:

где — объем резонатора; — среднее значение осциллирующего магнитного поля внутри резонатора, настроенного на частоту подсветки. При значение отрицательно, т. е. при наличии индуцированного излучения

Если добротность резонатора и потери энергии, обусловленные связью с внешним волноводом, описываются величиной внешней добротности коэффициент стоячей волны в подводящей линии при резонансе будет

Отношение мощностей отраженной и падающей волн будет

Если отрицательно, т. е. происходит усиление. При выполнении неравенства

происходит генерация; здесь — добротность нагруженного резонатора.

Таким образом, устройство будет работать как стабильный усилитель, если

При — величина и коэффициент усиления будет равен бесконечности.

Самым простым типом трехуровневого усилителя является усилитель с отражательным резонатором. Блок-схема отражательного усилителя показана на рис. IV.4, а. Внутри объемного резонатора помещается парамагнитный кристалл. Для подачи усиливаемого сигнала и его отведения используется одна и та же линия связи.

Рис. IV.4. Блок-схемы парамагнитных усилителей: а — блок-схема отражательного резонаторного парамагнитного усилителя: 1 — антенна; 2 — волновод; 3 — циркулятор; 4 - согласованная нагрузка; 5 — приемник; 6 — генератор подсветки; 7 — парамагнитный кристалл; 8 — резонатор; 9 — входная линия резонатора; б — блок-схема проходного резонаторного парамагнитного усилителя: 1 — антенна; 2 и 5 — вентили; 3 — резонатор; 4 — парамагнитный кристалл; 6 — приемник; 7 — генератор подсветки

Падающая и отраженная волны разделяются с помощью ферритового циркулятора. Ферритовый циркулятор играет еще одну важную роль — препятствует попаданию входных шумов в усилитель.

Если источник сигнала согласован с входным волноводом, то коэффициент усиления усилителя равен коэффициенту отражения от резонатора (по мощности).

Коэффициент усиления отражательного резонаторного квантового усилителя определим по формуле

При большом усилении ширина полосы будет

где — добротность линии поглощения (внешняя добротность); — частота.

В этой формуле не учитывается зависимость от частоты, поскольку при большом усилении величина В значительно меньше ширины линии перехода на частоте сигнала.

Другим типом трехуровневого усилителя является проходной резонаторный квантовый усилитель. В этом усилителе с резонатором связаны два волновода, один из которых является входным, а второй выходным. Блок-схема проходного резонаторного усилителя приведена на рис. IV.4, б.

Для исключения влияния излучений, отраженных от нагрузок, во входном и выходном волноводах обычно располагаются ферритовые изоляторы. Связь объемного резонатора с входным и выходным волноводами можно охарактеризовать добротностями

Добротность нагруженного резонатора

Максимальное усиление проходного усилителя

Ширина полосы пропускания

Для проходного, как и для отражательного усилителей при достаточно большом усилении справедливо соотношение

Величина зависит от физических свойств используемого парамагнитного кристалла, а также от добротности резонатора. Однако для каждой конструкции квантового усилителя является постоянной величиной. Порядок величины для сантиметрового диапазона длин волн составляет При усилении 25 дБ это соответствует полосе МГц.

Конструктивно квантовый резонаторный усилитель устроен следующим образом (рис. IV.5). Двухчастотный резонатор с парамагнитным кристаллом вместе с подводящими линиями помещается в криостат с жидким гелием. Криостат располагается между полюсами электромагнита, который создает постоянное магнитное поле в активном веществе, а следовательно, и расщепление энергетических уровней парамагнитного иона в кристалле. Генератором подсветки является обычно клистрон. Для обеспечения прохождения волны только в одном направлении между клистроном и резонатором включается ферритовый вентиль. Переменный аттенюатор служит

для регулировки поступающей в резонатор мощности подсветки. Для развязки входных и выходных цепей усилителя служит фер-ритовый циркулятор. Согласованная нагрузка предназначается для того, чтобы избежать связи выхода усилителя со входом, которая может возникнуть при недостаточном согласовании приемника с волноводным трактом. Развязка двух плеч в циркуляторах радиодиапазона составляет 25—30 дБ при прямых потерях 0,5 дБ.

Применение охлаждения рабочего вещества в парамагнитных усилителях связано с тем, что при понижении температуры увеличивается разность населенностей, т. е. достигается больший коэффициент инверсии, а также имеют место большие времена спин-решеточной релаксации кристаллов и насыщение излучения подсветки достигается при меньших мощностях. Важным фактором является и то, что при низких температурах значительно меньше уровень шумов. Для получения гелиевых температур в настоящее время используются системы охлаждения с замкнутым циклом.

Рис. IV.5. Квантовый резонатор усилитель: 1 — генератор подсветки; 2 — аттенюатор; 3 — антенна; 4 — согласованная нагрузка; 5 — ферритовый циркулятор; 6 — приемник; 7 — жидкий гелий; 8 — жидкий азот; 9 — резонатор; 10 — парамагнитный кристалл; 11 — электромагнит

Разработаны парамагнитные усилители, работающие при температуре жидкого азота (78 К). При этом величина произведения составляла 14 МГц.

При использовании электромагнитов для получения постоянных магнитных полей масса установок достигает сотен килограммов.

С появлением сверхпроводящих магнитов возникли принципиально новые конструкции парамагнитных усилителей.

Сверхпроводящими материалами, идущими на изготовление таких магнитов, являются обладает температурой разрушения сверхпроводимости 18,05 К [9]. Напряженности магнитных полей, полученные с помощью таких магнитов, достигают сотен килоэрстед. При использовании сверхпроводящих магнитов квантовый усилитель компактен, не требует постоянного питания и стабилизации магнитного поля.

В качестве активного вещества в усилителях используются парамагнитные кристаллы.

Лучшими среди парамагнитных кристаллов, используемых в усилителях, являются синтетические рубин с примесью и рутил с примесью или Усилители на рубине работают на 3 и 10 см при температурах

Недостатком схем усилителей является то, что они не допускают перестройки усилителя по частоте или значительно затрудняют ее. Кроме того, резонаторные усилители обладают рядом недостатков, связанных с регенеративным характером усиления. Отрицательное

поглощение активного вещества уменьшает потери энергии в резонаторе и сужает полосу пропускания — это явление носит название регенерации резонатора. Ширина полосы пропускания усилителя значительно меньше, чем ширина линии парамагнитного резонанса вещества, которая достигает величины порядка 100 МГц. Поэтому другим путем увеличения ширины полосы пропускания является использование парамагнитных усилителей бегущей волны.

Парамагнитный усилитель бегущей волны представляет собой волновод с расположенным вдоль него активным веществом, по которому распространяются усиливаемое электромагнитное излучение и излучение подсветки. Последняя создает состояние с отрицательной температурой. Поэтому сигнал, распространяясь по волноводу, взаимодействует с парамагнитным кристаллом, вызывает индуцированное излучение, и таким образом происходит усиление сигнала. Расчеты показывают, что для осуществления заметного усиления длина волновода с парамагнитным кристаллом должна быть несколько метров. В связи с этим в разработанных устройствах используются замедляющие волноводные системы, в которых групповая скорость распространения волны значительно замедлена.

Коэффициент усиления парамагнитного усилителя бегущей волны по мощности, выраженный в децибеллах, определяется по формуле

где - замедление групповой скорости в системе;

— длина системы, выраженная в длинах волн в свободном пространстве;

— общее затухание из-за омических потерь;

— магнитная добротность здесь — Магнитная восприимчивость активного вещества;

I — коэффициент заполнения].

При лоренцовой форме спектральной линии ширина полосы пропускания усилителя бегущей волны выражается формулой

где — ширина резонансной линии; — коэффициент усиления, дБ.

Схема парамагнитного усилителя бегущей волны на рубине приведена на рис. IV.6. В этом усилителе для замедления используется гребенчатая система IV.7). У основания стержней закреплены парамагнитные кристаллы. Кристалл розового рубина является, усиливающим, а кристалл красного рубина служит в качестве вентиля. Парамагнитный материал располагается в тех местах, где высокочастотное магнитное поле имеет круговую поляризацию.

В волноводе 4 прямая волна, имеющая круговую поляризацию с левым вращением, будет взаимодействовать с усиливающим кристаллом и не будет взаимодействовать с вентилем 8 (красный рубин). Вместо вентиля 8 — кристалла парамагнитного вещества — можно использовать феррит.

Рис. IV.6. Парамагнитный усилитель бегущей волны: 1 — антенна; 2 — клистронный генератор; 3 — ферритовый вентиль; 4 — переменный аттенюатор; 5 — приемник СВЧ; 6 — волновод вспомогательного излучения; 7 — жидкий гелий; 8 — коаксиальный тракт выходного сигнала; 9 — штыревая замедляющая система; 10 — вентильный кристалл; 11 — согласующий поршень; 12 — усилительный кристалл; 13 — электромагнит; 14 — диафрагма; 15 — жидкий азот; 16 — коаксиальный тракт входного сигнала

Обратная волна с противоположным направлением поляризации будет взаимодействовать с кристаллом, т. е. поглощаться. Таким образом, усиление осуществляется только в прямом направлении.

В отличие от резонаторного усилителя усилитель бегущей волны не содержит ферритового циркулятора.

Разработаны парамагнитные усилители бегущей волны с усилением 20—30 дБ и полосой пропускания 25 МГц. Усилитель бегущей волны на рутиле при усилении 57 дБ имеет ширину полосы 15 МГц.

Рис. IV.7. Элемент парамагнитного усилителя бегущей волны: 1 — вход; 2 — выход; 3 — коаксиальные кабели; 4 — волновод подсветки; 5 — штырь связи с кабелем; 6 — рубин ; 7 — прокладка из окиси алюминия; 8 — рубин

Предельная величина сигнала, который может быть зафиксирован парамагнитным усилителем, зависит от уровня собственных шумов усилителя. Поэтому весьма важным параметром квантовых парамагнитных усилителей является уровень их собственных шумов. Шумы усилителей удобно оценивать с помощью коэффициента

шума Коэффициент шума — это отношение полной мощности шумов на входе усилителя к мощности шумов, которая создается при подключении на вход идеального нешумного усилителя активного сопротивления, находящегося при температуре 290 К. Коэффициент шума показывает, во сколько раз реальный усилитель ухудшает отношение сигнала к шуму по сравнению с идеальным усилителем.

Температура шума связана с коэффициентом шума соотношением

где

Для пересчета (в градусах Кельвина) в коэффициент шума (в дБ) служат формулы

Источниками шумов в парамагнитных усилителях являются спонтанное излучение возбужденных частиц и тепловое излучение элементов усилителя.

Температуру шума парамагнитного усилителя бегущей волны можно определить по формуле

где

— числа частиц на единицу длины системы, находящихся на уровнях образующих переход сигнала;

А — коэффициент пропорциональности;

Р — экспоненциальный показатель затухания волны.

Первый член приведенной формулы дает спонтанное излучение, а второй — связан с тепловым излучением элементов, находящихся при температуре

Температура шума резонаторного парамагнитного усилителя

где — температура парамагнитного вещества.

Параметр определяется из формулы

Так как квантовые парамагнитные усилители работают, как правило, при температуре жидкого гелия (4,2 К), собственные шумы их весьма незначительны: для резонаторных усилителей температура шума составляет 20—100 К, а для усилителей бегущей волны 15 К. Следует отметить, что температура шума ламп бегущей волны составляет 500—800 К.