через один подсоединены к полюсам источника высокого напряжения (~30 кв). Поля,. образуемые при таком включении отдельными электродами, складываются так, что на оси пучка напряженность поля равна нулю, а между электродами - достигает максимальных значений. Взаимодействие молекул с неоднородным полем зависит от энергетического состояния молекул. При движении пучка вдоль оси конденсатора молекулы, находящиеся на высшем энергетическом уровне, стремятся выйти из поля и поэтому отклоняются к оси конденсатора. Молекулы, находящиеся на нижнем энергетическом уровне, отклоняются в противоположную сторону, выталкиваются из пучка. Таким образом, создаются условия, при которых иа оси конденсатора оказываются молекулы, обладающие избытком энергии, который они способны излучить. Поток отсортированных молекул аммиака направляется в объемный резонатор.

Скорость и плотность потока выбирают такими, чтобы в резонаторе находилось столько молекул, сколько их необходимо Для образования автоколебаний. В начальный момент после запуска пучка в резонаторе имеется поле только за счет тепловых флуктуации. В спектре этих флуктуации всегда имеются составляющие, частоты которых соответствуют частотам квантовых переходов молекул. Слабое поле флуктуации вызывает сначала стимулированные переходы небольшого числа молекул*. Вызванное ими индуцированное излучение складывается с полем резонатора, увеличивая его. Усиленное поле в свою очередь вызывает излучение большего числа молекул. Если энергия индуцированного излучения окажется больше потерь в нагруженном резонаторе, то в резонаторе возникнут незатухающие автоколебания. Для возникновения автоколебаний необходимо, чтобы для данного значения добротности резонатора число излучающих молекул превышало некоторое критическое значение (условие самовозбуждения). Элементом нелинейности, определяющей амплитуду установившихся колебаний, служит эффект насыщения (выравнивания иаселенностей энергетических уровней).

Объемный резонатор делается обычно из инвара с внутренним гальваническим покрытием из серебра. Впуск пучка в резонатор для уменьшения потерь иа излучение осуществляется через предельные волноводы.

Для каждого значения добротности надо так отрегулировать интенсивность молекулярного пучка и напряжение на сортирующей системе, чтобы количество возбужденных молекул было достаточно для самовозбуждения.

Частота со колебаний молекулярного генератора чрезвычайно близка к резонансной частоте спектральной линии (к частоте

* Кроме тепловых флуктуации, начало процесса самовозбуждения может быть вызвано спонтанными переходами молекул на нижний уровень.

квантового перехода) сол и определяется выражением

/ 2Q со - сол 1 \ ю==шл(1+-Р--2-л~-~-), (29-5)

где соо - резонансная частота резонатора, Q - его добротность, т - среднее время пролета молекулами поля резонатора.

Так как % велико по сравнению с периодом колебаний, то со сол и это совпадение тем лучше, чем точнее настроен резонатор (с)0я=сОл). Но даже при <о0=сйл частота генерации отличается от сол. Обычно добиваются совпадения со и со л с относительной разницей 10~9-Ю-10. Частота молекулярного генератора зависит также от напряжения на сортирующем устройстве и давления в источнике.

Мощность, излучаемая генератором на аммиаке, порядка Ю-9-Ю-10 вт.

Естественная ширина линии излучения молекулярного генератора, обусловленная спонтанным излучением, пренебрежимо мала. Более существенное уширение линии связано с соотношением неопределенностей , связывающим длительность цикла колебаний At, определяемую средним временем пребывания молекулы в резонаторе, с шириной спектра Af.

AfAt 1. (29-6)

Полная ширина линии (по спаду интенсивности на половину) определяется выражением

где L - длина резонатора, v - наиболее вероятная скорость молекулы (при L= = 12 см, а =400 м/сек; 2Af=4 кгц). В режиме генерации ширина линии сужается из-за регенерации. Вообще говоря, имеется также допплеровское уширение линии из-за разброса скоростей молекул, но его влияние маскируется уширением, связанным с соотношением неопределенностей.

В режиме генерации полная ширина линии по полуспаду интенсивности приблизительно равна:

1Af = :-f (29.7)

где Т - абсолютная температура резонатора, Р - выходная мощность излучения пучка. Если Т=300°К; Д/л=4 - Ю-3 гц; Рв = 10-10 ет, то 2Д?=10-2 гц. Таким образом, добротность системы, определенная как отношение выходной частоты к ширине линии, имеет величину порядка 101г.

Стабильность частоты молекулярного генератора. Наиболее важным свойством молекулярного генератора является чрезвычайно высокая стабильность частоты генерируемых колебаний, связанная с относительной узостью линии излучения. Высокая стабильность частоты объясняется тем, что частота перехода определяется свойст-

вами самих молекул н практически не зависит от внешних факторов.

Стабильность частоты молекулярных генераторов настолько высока, что обычно проверяется лишь при наблюдении частоты биений двух независимых молекулярных генераторов. Такие наблюдения позволяют фиксировать относительные сдвиги порядка Ю-12. Стабильность частоты характеризуется относительной и абсолютной неста-бильностями.

Относительная нестабильность поддер-

/ -<а,

жания частоты - 6i=----, т. е. от-

носительный сдвиг частоты за некоторый промежуток времени Дг=£2-ti.

Относительная нестабильвость воспро-

ю - юл

изводимости частоты бг=-определя-

ется той точностью, с которой можно настроить молекулярный генератор на частоту спектральной линии. Получение высокой абсолютной стабильности невозможно без достижения достаточно высокой относительной стабильности. Для относительной нестабильности частоты молекулярного генератора получены значения порядка 10~10- 10~1г за несколько часов.

Молекулярный генератор подобного типа, построенный с соблюдением условий, касающихся точности и добротности его элементов (поддержание температуры резонатора с точностью до 0,01°, напряжения на конденсаторе до 0,2% и интенсивности пучка до 1%), может быть использован в качестве абсолютного стандарта частоты, не нуждающегося в предварительной градуировке.

Эталоны частоты, основанные на применении спектральных линий атомов, получили название атомных эталонов частоты. В существующих атомных эталонах частоты применяется спектральная линия магнитной сверхтонкой структуры цезия (Я.=3,26 см). Конструкция цезиевого генератора схожа с конструкцией генератора на аммиаке. Отличие заключается в том, что для сортировки атомного пучка используется неоднородное магнитное, а не электрическое поле.

Большой интерес вызывает квантовый генератор на атомном водороде, работающий на длине волны Я=21 см. Преимущества водородного генератора определяются тем, что спектр водорода чрезвычайно прост, а конструкция прибора позволяет получить очень узкую спектральную линию. По предварительным оценкам относительная нестабильность генератора с атомным водородом может достигать Ю-13-10~J5.

Молекулярные и атомные генераторы используются в устройствах для точного измерения времени в молекулярных и атомных часах. Ход молекулярных и соответственно атомных часов определяется периодом электромагнитных колебаний квантового генератора. Поскольку мощность

такого генератора не превышает 10 s вт, а период очень мал и не находится в простом численном отношении с единицей времени- секундой, то молекулярные часы помимо квантового генератора содержат электронные устройства для преобразования высокочастотных колебаний генератора в диапазон более низких частот, а также для усиления колебаний и выработки сигналов точного времени. Одним из вариантов таких молекулярных часов являются кварцевые часы, в которых кварцевый генератор напряжения непрерывно подстраивается по сигналу молекулярного генератора с помощью схемы фазовой автоподстройки.

Высокие абсолютные и относительные стабильности частоты квантовых генераторов позволяют применять их для решения ряда научных и технических задач. При помощи молекулярных часов удалось заметить и изучить неравномерность суточного вращения Земли. Молекулярные генераторы могут быть использованы также для повышения точности навигационных систем.

Квантовые устройства с сортировкой молекул нли атомов в газовом пучке в невозбужденном режиме могут быть использованы в качестве регенеративных усилителей сигналов. Однако такие квантовые усилители из-за трудности перестройки частоты и слишком малой полосы пропускания не нашли практического применения. Для усиления СВЧ колебаний применяют квантовые парамагнитные усилители, в которых состояние с инверсной населенностью создается с помощью вспомогательного генератора накачки.

29-5. КВАНТОВЫЕ ПАРАМАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Энергетические уровни парамагнитных кристаллов

Парамагнитными называются вещества, обладающие слабыми магнитными свойствами. Магнитные свойства таких веществ, как будет пояснено в дальнейшем, объясняются наличием в атомах некомпенсированных магнитных моментов электронов или ядер (соответственно спиновый или ядерный парамагнетизм).

Квантовые усилители на твердом теле основаны на использовании электронного парамагнетизма. Электроны в твердом теле являются спаренными в том смысле, что каждому электрону, вращающемуся в одном направлении, соответствует другой электрон, вращающийся в противоположном направлении. Магнитные дипольные моменты такой пары электронов взаимно компенсируются, обращая в нуль результирующий магнитный эффект. Однако в некоторых твердых телах это спаривание электронов не является полным, и ионы с фиксированным расположением в кристалле могут иметь непарные электроны.

Если такой парамагнитный ион находится в магнитном поле, то он обладает энергией ориентации, зависящей от угла между магнитным диполем непарных спинов и приложенным полем. Энергия взаимодействия зависит от проекции вектора магнитного диполя на направление поля.

Для парамагнитных ионов возможны не любые значения энергии ориентации во внешнем магнитном поле, а только дискретные квантованные значения энергии. Число энергетических состояний зависит от числа возможных значений магнитного квантового числа т, а интервалы между ними - от напряженности внешнего поля.

Таким образом, энергетические уровни парамагнитных ионов претерпевают изменения при наличии внешнего магнитного поля. Прирост или убыль энергии (смещение уровня вверх или вниз) зависят от величины и направления магнитного момента ионов. В свою очередь сам магнитный момент пропорционален механическому моменту количества движения /. Полный механический момент количества движения равен -

сумме орбитального £ (возникающего в результате орбитального движения электронов вокруг ядра) и спинового s (возникающего в результате вращения электронов вокруг своих осей) моментов. Для каждого атома или иона возможен дискретный набор ориентации магнитного момента.

У ядра атома имеется механический спиновый момент и пропорциональный ему ядерный магнитный момент. Учет взаимодействия электронного и ядерного магнитных моментов позволяет объяснить .сложность системы электрических переходов, возникающих под влиянием магнитного поля. Ядерные магнитные моменты примерно в 2000 раз слабее электронного момента, так как магнитный момент обратно пропорционален массе частицы.

Число всех возможных значений т- -2S+1, где S - так называемое спиновое число, иногда кратко называемое спином. S принимает полуцелые значения, т. е. кратно /г- Спин электрона S=V2- Следовательно, для электрода m=2S+i=2. Таким образом, электрон во внешнем магнитном поле может иметь только одно из двух направлений вектора магнитного момента. Пусть ось г направлена по внешнему магнитному полю Н0. Тогда проекции спиновых магнитных моментов на Ог будут рав-1 ft 1ft

НЫ + Т Ы НЛИ ~ Т 217 В ПервоМ сл чае энергия электрона будет меньше, чем в отсутствие поля (нижний уровень), во втором - больше (верхний уровень).

Изменение энергии под влиянием магнитного поля (рис. 29-8)

-уД£=: - МгВ, (29-8)

гдеМг проекция вектора магнитного момента на направление поля; В магнитная индукция.

Энергетический интервал между уровнями будет равен ДЕ. Пользуясь частотным условием Бора Д£=/г/! 2, получим, что частота перехода

f 1-2 [Мгц] ~ 2 >8 #0 [э] (29-9)

Если требуется получить переход с fj 2 = = 10000 Мгц (а=3 см), напряженность внешнего магнитного поля должна быть равна Яо=3 000 э.

Рис. 29-8. Энергетические уровни электрона во внешнем магнитном поле.

В парамагнитных усилителях используются вещества, атомы или ионы которых имеют неспаренные электроны, обладающие некоторым суммарным спиновым магнитным моментом больше /г. например 3/г.

Если S=3/2, то 2S+l=2---4-l=4, т. е.

в системе будет четыре энергетических уровня, которые соответствуют четырем возможным значениям проекций магнитного момента ионов на ось г:

-ч--3-А J ft ~ 2 2я ~ 2 2л;

Расщепление энергетических уровней под влиянием магнитного поля называется эффектом Зеемана.

Количество ионов на различных энергетических уровнях, как и в молекулярной системе, подчиняется закону Больцмана, т. е. самым заселенным уровнем будет нижний, меньше всего ионов будет на верхнем уровне. Правило отбора для системы парамагнитных ионов в магнитном поле заключается в следующем: наиболее разрешены переходы между уровнями, которые соответствуют изменению магнитного квантового числа на ±1 или 0, т. е.

Дт = ±1 или 0.

При наличии четырех уровней любые три, удовлетворяющие правилу отбора, можно использовать для реализации усилителя по трехуровневой схеме.

Картина энергетических уровней ионов в парамагнитных кристаллах осложняется из-за наличия внутреннего электрического поля кристаллической решетки. Это поле вызывает начальное расщепление уровней,