Схемы устройства резонаторного КПУ и КПУ бегущей волны показаны соответственно на рис.2.6 и рис.2.7 Кроме рабочего вещества, резонатора или замедляющей системы, генератора накачки и высокочастотных трактов сигнала и накачки, необходимыми элементами КПУ являются также магниты и криостат с жидким гелием. Магниты предназначены для создания постоянного магнитного поля, обеспечивающего необходимое расщепление энергетических уровней парамагнитных ионов. Криостат с жидким гелием, в который помещается резонатор или замедляющая система, обеспечивает охлаждение рабочего вещества до температур 4,2К. Охлаждение КПУ до таких низких температур необходимо по ряду причин. Как уже отмечалось, при понижении температуры увеличивается излучаемая парамагнитным кристаллом мощность, уменьшаются тепловые шумы и увеличивается время спин-решетчатой релаксации, что позволяет достичь насыщения вспомогательного перехода при меньшей мощности накачки.

Рассмотрим особенности конструкции основных узлов КПУ.

1. Резонаторы. К резонаторам КПУ, помимо обычных требований высокой собственной добротности, возможности перестройки частоты и изменения связи с нагрузкой, предъявляется специфическое требование: они должны резонировать одновременно на частотах сигнала и накачки. В дециметровом диапазоне и длинноволновой части сантиметрового диапазона двухчастотные резонаторы обычно представляют собой полосковый резонатор на частоте сигнала и волноводный резонатор на частоте накачки. Устройство подобного резонатора схематически показано на рис.2.8.

Рис.2.6 Схема устройства резонаторного КПУ

На частоте сигнала резонатор образован четвертьволновой полосковой линией, у которой внутренним проводником является полоска 1, а внешним - волновод 2. На частоте накачки резонатор образован отрезком волновода между торцовой стенкой 3 и поршнем 4; в нем возбуждаются колебания типа ТЕ_10р. Парамагнитный кристалл 5 расположен у торцовой стенки в области пучностей магнитных полей сигнала и накачки. В коротковолновой части сантиметрового диапазона часто используются волноводные резонаторы, целиком заполненные рабочим веществом. В них одновременно возбуждаются низший тип колебаний на частоте сигнала и один из высших типов на частоте накачки. Связь с волноводами сигнала и накачки осуществляется через отверстия в стенках резонатора.

Рис.2.7 Схема устройства КПУ бегущей волны

2. Замедляющие системы. К замедляющим системам для КПУ предъявляются следующие требования: возможно больший коэффициент замедления по групповой скорости (в отличие от замедляющих систем электронных приборов, предназначенных для уменьшения фазовой скорости), достаточная широкополосность и малые потери. Кроме того, в замедляющих системах для КПУ структура высокочастотного магнитного поля должна быть такой, чтобы можно было легко осуществить невзаимное распространение, т.е. усиление прямой волны и ослабление обратной.

Указанным требованиям удовлетворяет штыревая гребенчатая замедляющая система, представленная на рис.2.9, а. Она состоит из ряда штырей 1, установленных в прямоугольном волноводе 2 параллельно его широким стенкам. Основанием гребенчатой системы служит одна из узких стенок волновода. В КПУ бегущей волны с одной стороны от гребенки располагается парамагнитный кристалл 3, с другой - ферритовый невзаимный поглотитель 4. Усиливаемый сигнал передается по коаксиальной линии 5, усиленный - по коаксиальной линии 6. Сигнал накачки распространяется по волноводу 2 в виде основной волны ТЕ₁₀, на которую гребенка не оказывает существенного влияния. Волновод может быть замкнут и представлять собой резонатор на частоте накачки.

Рис.2.8 Схема устройства двухчастотного резонатора

Каждый штырь гребенки подобен четвертьволновой линии (на частоте сигнала), закороченной на одном конце и разомкнутой на другом, с колебаниями типа ТЕМ. Поэтому вблизи основания штырей силовые линии высокочастотного магнитного поля близки к концентрическим окружностям. В целом, замедляющая система подобна цепочке из связанных между собой четвертьволновых резонаторов. Магнитные силовые линии гребенки показаны на рис.2.9, б пунктиром. Вектор напряженности высокочастотного магнитного поля с обеих сторон от гребенки имеет эллиптическую поляризацию. Направления вращения вектора в прямой волне отмечены на рис.2.9, б. В обратной волне они противоположны. Исходя из классической модели парамагнитного и ферромагнитного резонанса, нетрудно понять, что при такой поляризации вектора прямая волна, взаимодействующая с активным парамагнитным веществом, не будет взаимодействовать с ферритом, в то время как волна обратного направления взаимодействует только с ферритом. В результате прямая волна усиливается, а обратная ослабляется.

Рис.2.9 Схема устройства штыревой гребенчатой замедляющей системы

Кроме описанной гребенчатой замедляющей системы, в КПУ применяются и другие типы штыревых замедляющих систем. При большой диэлектрической проницаемости парамагнитного кристалла необходимое замедление можно обеспечить путем заполнения волновода (с уменьшенными поперечными размерами) парамагнитным веществом.

3. Охлаждение. Криостаты, используемые в КПУ, обычно представляют собой двойные сосуды Дьюара, подобные показанному на рис.2.7 Внутренний сосуд Дьюара заполняется жидким гелием, внешний - жидким азотом. Последний играет роль теплового экрана, который уменьшает поток тепла, поступающего извне в жидкий гелий, и тем самым способствует уменьшению расхода жидкого гелия. Разработаны также безазотные металлические криостаты. Емкость криостатов - единицы литров; время непрерывной работы усилителя без доливки жидкого гелия - от нескольких часов до одних суток. В случае длительной работы КПУ необходимость периодической заливки жидкого гелия в сосуд Дьюара существенно усложняет эксплуатацию усилителя. В настоящее время разработаны холодильные машины замкнутого цикла, обеспечивающие охлаждение КПУ без заливки жидкого гелия извне, однако они имеют достаточно большие вес, габариты и потребляемую мощность.

4. Магнитные системы. Необходимое магнитное поле величиной порядка нескольких тысяч гаусс может быть создано постоянным магнитом или электромагнитом, между полюсами которого размещается криостат. Однако в этом случае зазор между полюсами магнита должен быть большим и магниты оказываются громоздкими и тяжелыми. Размеры и вес КПУ удается значительно уменьшить, используя постоянные магниты, размещенные внутри криостата. Наиболее удачным решением является применение электромагнитов со сверхпроводящими обмотками, устанавливаемых в криостате с жидким гелием. Помимо существенного уменьшения размеров и веса, это позволяет обеспечить стабильную работу КПУ благодаря исключению нестабильностей, связанных с изменениями магнитного поля.

3. Квантовые стандарты частоты

3.1 Устройство и принцип действия атомных и молекулярных генераторов

3.1.1 Рабочее вещество

Квантовые генераторы диапазона СВЧ предназначены для генерации колебаний, обладающих высокой точностью установки и стабильностью частоты. Значение этих параметров определяется, главным образом, шириной используемой спектральной линии рабочего вещества. Чем меньше ширина спектральной линии, тем лучше параметры генератора. Поэтому для генерации высокостабильных колебаний СВЧ, как правило, используются газообразные рабочие вещества. Однако даже в разреженных газах тепловое движение частиц приводит к уширению линии вследствие соударений частиц друг с другом, со стенками сосуда и из-за влияния эффекта Доплера.

Воздействие указанных факторов на ширину линий может быть существенно ослаблено, если вместо обычных газов с хаотическим движением частиц использовать направленные потоки молекул или атомов, слабо взаимодействующих друг с другом, т.е. движущихся почти без соударений. Такие потоки частиц, называемые молекулярными или атомными пучками, используются в качестве рабочего вещества в большинстве квантовых генераторов СВЧ. В зависимости от вида используемых частиц генераторы называют молекулярными (МГ) или атомными (АГ).

К рабочему веществу молекулярных и атомных генераторов предъявляются следующие требования:

энергетический спектр частиц должен иметь переходы с частотами, попадающими в диапазон СВЧ;

рабочие уровни должны соответствовать не слишком большим значениям энергии, чтобы они эффективно заселялись при температуре, легко достижимой в источнике пучка;

вероятность вынужденного перехода между рабочими уровнями должна быть достаточной для обеспечения эффективной передачи энергии от пучка атомов или молекул электромагнитному полю;

вещество должно быть химически устойчивым и не токсичным.

Одновременно всем перечисленным требованиям удовлетворяют лишь немногие вещества. В настоящее время созданы молекулярные генераторы на аммиаке, формальдегиде, атомный генератор на водороде и некоторые другие.

3.1.2 Устройство и принцип действия молекулярного и атомного генераторов

Схема устройства и принцип действия всех молекулярных и атомных генераторов пучкового типа в основных чертах одинаковы. На рис.3.1 представлена схема устройства генераторов такого типа, там же приведены основные функциональные узлы МГ (АГ): источник молекулярного или атомного пучка, сортирующее устройство и резонатор. Все перечисленные функциональные узлы находятся в корпусе, внутри которого поддерживается высокий вакуум.

Рис.3.1 Схема устройства молекулярного генератора пучкового типа

Источник пучка формирует из поступающего в него газа направленный поток микрочастиц, движущихся почти без соударений друг с другом в сторону резонатора. Микрочастицы в пучке, выходящем из источника, распределены по энергетическим уровням в соответствии с законом Больцмана.

Сортирующее устройство предназначено для создания инверсии населенностей на двух выбранных рабочих уровнях. Данная задача решается путем пространственного разделения частиц, находящихся в различных энергетических состояниях. Сортирующее устройство обеспечивает фокусировку микрочастиц верхнего рабочего уровня на оси прибора и удаление микрочастиц нижнего рабочего уровня на периферию. В результате этого в пучке, поступающем в резонатор, населенность верхнего рабочего уровня оказывается больше, чем нижнего: .

Резонатор предназначен для отбора энергии от молекулярного (атомного) пучка. Под воздействием электромагнитного поля резонатора, настроенного на частоту рабочего перехода f_ji, в пучке происходят вынужденные переходы микрочастиц с одного рабочего уровня на другой. Поскольку населенность верхнего уровня больше, чем населенность нижнего: , энергия передается от пучка полю резонатора, из которого она частично отводится в нагрузку.

"Отработанные" молекулы (атомы), вылетевшие из резонатора совместно с отсортированными сортирующей системой, отводятся из генератора вакуумным насосом.

Процесс самовозбуждения генератора начинается с вынужденных переходов некоторых микрочастиц под воздействием поля теплового излучения стенок резонатора. Если мощность вынужденного излучения оказывается больше мощности потерь, то в резонаторе происходит накопление энергии. При этом количество вынужденных переходов в единицу времени возрастает, что в свою очередь приводит к дальнейшему росту амплитуды колебаний. Увеличение амплитуды при значительных интенсивностях пучка ограничивается тем, что растет число микрочастиц, совершающих до вылета из резонатора обратный поглощательный переход . В режиме установившихся колебаний мощность, излучаемая частицами, расходуется на компенсацию потерь в резонаторе и в нагрузке.

Все молекулярные и атомные генераторы пучкового типа состоят из одинаковых по назначению и выполняемым функциям узлов. Однако они существенно различаются между собой по конструкции этих узлов.

Ниже рассмотрим особенности устройства и работы водородного генератора, обладающего наивысшей стабильностью частоты.

3.1.3 Генератор на пучке атомов водорода

Как известно, атом водорода состоит из одного протона и одного электрона. Протон и электрон обладают спиновыми магнитными моментами, взаимодействие которых приводит к расщеплению основного уровня на два так называемых уровня сверхтонкой структуры. Во внешнем магнитном поле наблюдается эффект Зеемана: верхний из уровней сверхтонкой структуры расщепляется на три магнитных (зеемановских) подуровня 2, 3, 4, положение которых зависит от напряженности магнитного поля (рис.3.2).

Рис.3.2 Энергетические уровни атома водорода

Нижний нерасщепляющийся уровень 1 сверхтонкой структуры при изменении магнитного поля Н также испытывает смещение. В качестве рабочего перехода в генераторе используется переход между уровнями 1 и 3 с частотой при Н = 0. Выбор этого перехода обусловлен следующими причинами: частота перехода f₁₃ в слабых магнитных полях практически не зависит от Н, что необходимо для обеспечения высокой стабильности частоты генератора; характер смещения уровней 1 и 3 в сильных магнитных полях позволяет осуществить пространственную сортировку атомов водорода.

Источник атомного пучка представляет собой камеру объемом в несколько кубических сантиметров, имеющую одно входное и ряд выходных отверстий. Через входное отверстие в камеру под давлением ~ 0,1 - 0,5 тор подается молекулярный водород. С помощью высокочастотного генератора в газе возбуждается разряд, вызывающий диссоциацию молекул, т.е. распад их на атомы. Образовавшийся атомарный водород истекает из камеры по параллельным выходным каналам в область низкого давления (~ 10^-7 тор). Для того чтобы при выходе из источника газ образовывал атомарный пучок, а не турбулентную струю, в которой происходят соударения между атомами, диаметр выходных отверстий выполнен меньшим, чем длина свободного пробега атомов. Необходимая скорость истечения газа обеспечивается увеличением количества каналов.

В качестве примера можно привести следующие данные источника атомного пучка одного из действующих водородных генераторов. Источник представляет собой разрядную камеру диаметром и длиной около 25 мм, помещенную между двумя катушками лампового генератора с частотой колебаний ~ 110 МГц и мощностью ~ 10 Вт. Пучок формируется системой из 150 параллельных каналов диаметром 810^-2 мм и длиной 1,4 мм. Источник дает около 10¹⁷ атомов в секунду.

Сортирующее устройство водородного генератора представляет собой шестиполюсный магнит (рис.3.3), создающий резко неоднородное магнитное поле: минимальное на оси и быстро возрастающее при удалении от нее. Сортировка атомов основана на использовании зависимости их внутренней энергии от напряженности внешнего магнитного поля. В соответствии с общим физическим законом атомы стремятся занять в пространстве наиболее устойчивое положение, при котором их энергия во внешнем поле была бы минимальной. Так как энергия атомов верхнего рабочего уровня 3 (рис.3.2) минимальна при Н = 0, то в неоднородном магнитном поле на них действует сила, направленная к оси системы. Она обеспечивает фокусировку атомов верхнего рабочего уровня на оси прибора при входе в резонатор. Напротив, энергия атомов нижнего рабочего уровня 1 уменьшается с ростом Н, поэтому они перемещаются от оси прибора на периферию. В результате сортировки атомов, в пучке, входящем в резонатор, населенности рабочих энергетических уровней оказываются инвертированными: . При полном потоке из источника 10¹⁷ поток атомов верхнего уровня, попадающих в резонатор, составляет 10¹³. Размеры типичного сортирующего магнита следующие: длина 100 мм, зазор между полюсами ~ 3 мм.

Рис.3.3 Сортирующее устройство водородного генератора

Взаимодействие атомов водорода с электромагнитным полем осуществляется в цилиндрическом резонаторе с колебаниями ТЕ₀₁₁. Использование этого типа колебаний позволяет получить высокое значение собственной добротности, необходимое для обеспечения самовозбуждения генератора. Существенное влияние на параметры генератора оказывает время взаимодействия атомов с полем. Как будет показано ниже, при увеличении времени взаимодействия уменьшается необходимый для работы молекулярного или атомного генератора поток активных частиц и возрастает стабильность частоты. В водородном генераторе для увеличения времени взаимодействия атомов с полем в резонаторе установлена накопительная камера. Она представляет собой кварцевую колбу, покрытую изнутри тонким слоем тефлона, с небольшим входным отверстием для прохода атомного пучка (рис.3.4).

Рис.3.4 Накопительная камера

Попав в камеру, атомы испытывают многократные столкновения со стенками, прежде чем покинут ее через то же самое входное отверстие. Использование накопительной камеры оказывается возможным благодаря следующей важной особенности атомов водорода. Их внутреннее состояние не изменяется при соударении со стенками накопительной камеры, покрытой тефлоном или парафином. Время взаимодействия атомов с полем составляет примерно 1 секунду.

3.2 Параметры и применение атомных и молекулярных генераторов

3.2.1 Пусковой поток

Минимальный поток активных микрочастиц, необходимый для возникновения генерации, называется пусковым потоком. Его величину можно найти из уравнения установившихся колебаний: Р_изл = Р_пот, если известны выражения для излучаемой пучком мощности Р_изл и мощности потерь Р_пот.

В генераторах пучкового типа излучаемая в резонаторе мощность равна произведению энергии , излучаемой одной микрочастицей, на число активных микрочастиц , влетающих в резонатор за 1 секунду, и на вероятность перехода микрочастицы с верхнего рабочего уровня на нижний уровень за время пролета ее через резонатор

Вероятность вынужденных переходов рассчитывается квантомеханическими методами. При равенстве центральной частоты спектральной линии и частоты колебаний индуцирующего электромагнитного поля () расчет дает

где Н амплитуда напряженности магнитного поля СВЧ; m магнитный дипольный момент рабочего перехода; среднее время взаимодействия микрочастиц с полем. Если микрочастицы обладают электрическим, а не магнитным дипольным моментом, то в формулу, аналогичную (3.2), входят электрический дипольный момент и напряженность электрического поля СВЧ.

Колебательный характер зависимости объясняется следующими причинами. При малых значениях возрастание времени взаимодействия приводит к возрастанию вероятности перехода активной микрочастицы с верхнего рабочего уровня на нижний. Однако если достаточно велико, то микрочастицы, совершив переход с верхнего уровня на нижний, могут затем вновь перейти на верхний уровень. Поэтому вероятность нахождения микрочастицы на нижнем уровне уменьшается.

Полную мощность потерь можно выразить через нагруженную добротность резонатора Q_н, исходя из определения добротности

Если в (3.3) для простоты пренебречь изменением амплитуды напряженности магнитного поля Н по объему резонатора V, то приближенно получим:

(3.4)

где учтено, что . Приравнивая (3.1) к (3.4), записываем уравнение установившихся колебаний в развернутом виде

(3.5)

Из этого уравнения легко найти величину пускового потока, полагая, что амплитуда напряженности магнитного поля стремится к нулю. При Н 0 и, следовательно,

(3.6)

В генераторе определенной конструкции из всех величин, входящих в (3.6), можно изменять только Q_н. Для уменьшения пускового потока необходимо увеличивать Q_н, т.е. уменьшать связь резонатора с нагрузкой. При очень слабой связи в (3.6) вместо Q_н можно подставить собственную добротность резонатора Q_с. Оценивая величину пускового потока по формуле (3.6), для водородного генератора получаем:

3.2.2 Выходная мощность

Мощность Р_вых, поступающая в нагрузку, связана с полной мощностью потерь соотношением где Q_вн внешняя добротность. Подставляя в это соотношение значение Р_пот из (3.4), получаем

(3.7)

Если известны данные пучка, резонатора и нагрузки, то, определяя из (3.5) амплитуду поля Н и подставляя ее в (3.7), можно найти выходную мощность в установившемся режиме.

Выходная мощность зависит от числа активных частиц n_а, поступающих в резонатор за 1 секунду. Эта зависимость входит в (3.7) в неявном виде, поскольку при изменении n_а изменяется напряженность поля Н. Проанализируем зависимость Н и, следовательно, Р_вых от n_а. Для этого перепишем уравнение (3.5) с учетом (3.6) в более удобном виде

(3.8)

График зависимости от относительной интенсивности пучка показан на рис.3.5 Так как m и являются постоянными, то кривая характеризует зависимость амплитуды Н от . Из рис.3.5 видно, что увеличение интенсивности пучка сверх приводит первоначально к возрастанию Н, после чего наступает насыщение.

Рис.3.5 График зависимости величины от относительной интенсивности пучка

При больших значениях величина стремится к . Следовательно, максимальное значение напряженности магнитного поля, соответствующее сильному насыщению, равно

(3.9)

Максимальная выходная мощность при насыщении будет определяться выражением

(3.10)

Из (3.10) следует, что значение Р_{вых нас} может быть увеличено путем увеличения связи резонатора с нагрузкой. Однако при этом возрастают n_{а пуск} и необходимое для насыщения значение n_а. Кроме того, при увеличении связи резонатора с нагрузкой недопустимо возрастает ее влияние на частоту генерируемых колебаний. Поэтому молекулярные и атомные генераторы всегда работают при очень слабой связи с нагрузкой. Максимальная выходная мощность водородного генератора составляет ~ 10^-11 Вт.

3.2.3 Ширина линии излучения

Ширина спектральной линии микрочастиц в газе, как известно, определяется временем их жизни в возбужденном состоянии и влиянии эффекта Доплера. В молекулярном пучке скорости молекул направлены преимущественно вдоль оси пучка, что уменьшает разброс радиальных составляющих скоростей и сокращает доплеровскую ширину линии. Кроме того, доплеровское уширение линии связанное с разбросом продольных составляющих скоростей молекул, может быть уменьшено путем выбора такого типа колебания резонатора молекулярного генератора, при котором фазовая скорость электромагнитной волны в направлении движения молекул стремится к бесконечности. Чаще всего с этой целью используют колебания типа ТМ₀₁₀ в круглом волноводе. (Стоячая волна в волноводном резонаторе представляется суперпозицией двух бегущих волн. Колебания ТМ₀₁₀ в круглом резонаторе можно рассматривать как суперпозицию падающей и отраженной волн типа ТМ₀₁ в круглом волноводе при _кр, т.е. _ф .). В водородном генераторе влияние эффекта Доплера на ширину спектральной линии может быть также устранено путем выбора достаточно малых размеров накопительной ячейки.

Таким образом, ширина спектральной линии микрочастиц в молекулярных и атомных генераторах определяется, главным образом, временем их жизни на верхнем рабочем уровне. В молекулярном генераторе время жизни приближенно равно среднему времени пролета молекул через резонатор и ширина спектральной линии согласно (1.15), (1.16) равняется

(3.11)

В водородном генераторе атомный пучок, попав в накопительную ячейку, разрушается, и атомы движутся в ней хаотически. Поэтому возрастает вклад, вносимый в ширину спектральной линии соударениями атомов друг с другом.

Определяемая по формуле (3.11) ширина линии атомов водорода при 1 с составляет доли герца, а уширение линии, обусловленное соударениями, имеет значение порядка 15 20 Гц. Добротность спектральной линии атомов водорода равна

Ширина линии излучения молекулярного и атомного генераторов оказывается во много раз меньше ширины спектральной линии микрочастиц из-за эффекта регенерации. При возбуждении генератора в начальный момент микрочастицы совершают вынужденные переходы под действием теплового излучения стенок резонатора и так как спектральная плотность этого излучения практически не зависит от частоты, то ширина линии излучения равна 2f_л. В дальнейшем из-за накопления в резонаторе излучаемой микрочастицами энергии увеличивается ее спектральная плотность на частотах, близких к центральной частоте линии. В результате увеличивается вероятность вынужденного испускания на соответствующих частотах, что приводит к дальнейшей концентрации энергии в узком частотном интервале.

Таким образом, возрастание амплитуды колебаний в молекулярном и атомном генераторах сопровождается сужением линии излучения 2f_г. В установившемся режиме из-за рассмотренного эффекта колебания молекулярного и атомного генераторов являются близкими к монохроматическим. У водородного генератора относительная ширина спектральной линии излучения составляет

3.2.4 Стабильность частоты