возникающее и при отсутствии внешнего магнитного поля (эффект Штарка).

Прн наличии внешнего магнитного поля расположение уровней зависит не только от напряжеииости магнитного поля, но и от взаимной ориентации внешнего магнитного поля относительно оси кристалла.

На рис. 29-9 показаны уровни энергии в функции магнитного поля для двух случаев:

1) постоянное магнитное поле нараллельно оси симметрии кристалла (рис. 29-9,а); 2) перпендикулярно ему (рис. 29-9,6).

Начальное расщепление в отсутствие внешнего поля уровней вызвано эффектом Штарка. Расщепление каждого из уровней на два подуровня - эффектом Зее-мана. Отметим, что в качестве рабочего вещества в парамагнитных усилителях могут быть использованы не только твердые кристаллы, но и парамагнитные жидкости и газы. Однако вследствие очевидных удобств предпочтение отдается твердым телам.

Выбор рабочего вещества для парамагнитного усилителя

Выбор рабочего вещества является наиболее ответственным этапом при построении парамагнитного усилителя, и в этой области проводят широкие исследования.

Парамагнитный материал должен удовлетворять следующим основным требованиям. Система ионов должна иметь по крайней мере три уровня энергии с такими расщеплениями, чтобы частота возбужде-шя f 1-з совпадала с частотой, для которой существуют генераторы, имеющие мощность, достаточную для достижения эффекта насыщения (это особенно существенно в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн), и чтобы f3 (или f2-i) равнялась желаемой частоте усиления при допустимых величинах постоянного магнитного поля. Нужно учитывать, что всегда ft s > >fs.2> т- е- частота генератора накачки всегда выше частоты усиливаемого сигнала. Правила отбора должны разрешать переходы на fU3 и /3 2 (или /2 j).

От вспомогательного генератора накачки требуется тем меньшая мощность, чем медленнее рассеивается энергия в ионной системе, т. е. больше время релаксации, характеризующее добротность системы. Рассеяние энергии возбужденных спинов осуществляется двумя путями:

1) передача энергии окружающей среде через посредство кристаллической решетки (спин-решеточная релаксация), характеризуемая временем спин-решеточной релаксации Tii

2) передача энергии другим спинам, находящимся на более низких энергетических уровнях (спин-спиновая релаксация), которая характеризуется так называемым временем спин-спиновой релаксации Г2.

Мощность насыщения тем меньше, чем больше 7 i и Т.

Рис. 29-9. Уровни энергии парамагнитного кристалла в функции магнитного поля.

а - постоянное магнитное поле параллельно оси кристалла; б - поле перпендикулярно оси кристалла.

Величина Т\ тем больше, чем ниже температура среды. Приемлемые значения 7 ~ =0,1 сек для большинства используемых кристаллов получаются лишь при температурах жидкого гелия (1-4° К).

Для получения достаточно больших То, порядка Ю-8-Ю 9 сек, концентрация парамагнитных ионов не должна быть большой (обычно меньше 1%). Для получения требуемых концентраций кристаллы разбавляют диамагнитными ионами, которые замещают места парамагнитных ионов в узлах кристаллической решетки.

Рассмотренным требованиям удовлетворяют ионы группы железа (хром, железо, никель и др.) и некоторые редкоземельные элементы, например гадолиний, полный электронный спин которых больше 3/2.

Чаще всего в современных парамагнитных усилителях используют кристаллы хромового корунда (рубина) (А12Оз Сг2Оз) (разбавителем являются диамагнитные иоиы AI) и калийхромцианида K3Cr(CN)6X XKCo(CN)6 (разбавителем являются ионы кобальта Со) с концентрацией парамагнитных ионов Сг примерно 0,1-0,05%.

Отметим важное обстоятельство: для получения необходимой разности иаселен-ностей энергетических уровней и большого времени спин-решеточной релаксации, как это следует из закона Больцмана, усилители должны работать при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю.

Методы построевия парамагнитных усилителей

Квантовый усилитель бегущей волны (КУБВ). Самый простой способ создания такого усилителя состоит в помещении парамагнитного кристалла в волновод, в котором распространяется усиливаемый сигнал. в этот же волновод вводится энергия вспомогательного генератора иакачки, переводящая образец в активное состояние.

Волновод с расположенным внутри него образцом должен быть охлажден до температуры жидкого гелия. Сосуд Дьюара с жидким гелием и опушенным в него волноводом помещается между полюсами магнита, создающего довольно сильное поле напряженностью от нескольких сотен до тысяч эрстед. Сила магнитного поля подбирается таким образом, чтобы создались условия парамагнитного резонанса образца на частоте сигнала.

Для усиления необходимо, чтобы энергия, полученная полем сигнала от парамагнитного материала, превышала потери энергии в волноводе на частоте сигнала (главным образом в его стенках).

При выполнении этого условия постоянная затухания в волноводе будет отрицательной и по нему будет распространяться экспоненциально нарастающая волна сигнала.

На практике реализация такого квантового усилителя бегущей волны (КУБВ) встречает значительные трудности. Расчеты показывают, что для получения усиления мощности Kp-iO при полосе пропускания в 10 Мгц при использовании наилучших парамагнитных материалов длина волновода, заполненного парамагнетиком, должна составлять несколько метров, что практически неудобно.

Резонаториый квантовый усилитель (РКУ). Другой способ использования из-лучающей способности возбужденного материала заключается в помещении его в объемный резонатор. Такой усилитель, называемый резонаторным усилителем, в настоящее время является примером наиболее простого способа получения высокого усиления при малом объеме усилительного устройства.

Можно отметить аналогию свойств КУБВ и РКУ, с одной стороны, и СВЧ электронными приборами ЛБВ и клистронами - с другой. Различие заключается лишь в характере рабочего вещества - активной среды, с которой взаимодействует электромагнитная волна. В первом случае - это возбужденный парамагнитный кристалл; во втором - сгруппированный электронный поток.

Конструкция РКУ обычно состоит из следующих основных частей: резонатора; парамагнитного кристалла, помещаемого внутри резонатора; охлаждающей ванны - криостата, представляющей ту или иную разновидность сосуда Дьюара; магнита или электромагнита; вспомогательного генератора накачки.

Парамагнитные усилители целесообразно применять в диапазоне волн - 50 -s-1 см. Поэтому в качестве колебательной системы обычно выбирается объемный резонатор. Резонатор должен быть одновременно настроен на две частоты - основную (сигнала) f0 и вспомогательную (накачки) fB.

Парамагнитный образец для обоих возбуждаемых колебаний должен находиться в районе пучности высокочастотных магнитных полей. При выборе места расположения кристалла нужно также учитыват ориентацию этих полей относительно оси кристалла и внешнего магнитного поля Н0 с тем, чтобы необходимое усиление на заданной частоте достигалось при минималь иой мощности генератора накачки. Все эти

£,см~

Рис. 29-10. Диаграмма энергетических уровней цианида хрома.

данные могут быть получены на основе квантово-механических расчетов или экспериментально.

Для примера рассмотрим одну из реализованных конструкций парамагнитного усилителя на частоту сигнала 2 800 Мгц при частоте накачки 9 400 Мгц. В качестве парамагнитного кристалла в усилителе использовался кобальто-синеродистый калий с примесью ионов парамагнитного хрома в количестве 0,5% (цианид хрома).

Диаграмма энергетических уровней цианида хрома, иллюстрирующая выбор рабочей точки молекулярного усилителя, приведена на рис. 29-10. Магнитное поле Н направлено параллельно оси кристалла (рис. 29-11). Уровни 2 и 3 являются, основными (сигнальными), а / и 3-вспомогательными ( накачки ). Поле в рабочей точке несколько превышает 2 000 э. При этом вес магнита составляет более 10 кг.

В усилителе использован двухчастот-ный коаксиальный резонатор с фиксированной настройкой (рис. 29-12). Подгонка расщепления уровней до частоты резонатора осуществлялась путем небольшого изменения ориентации кристалла. На частоте сигнала 2 800 Мгц при наличии образца и заполнении внутренней части резонатора жидким гелием по длине резонатора укладывается половина волны типа ТЕМ. На частоте накачки 9 400 Мгц резонатор работает на волне типа ТЕМцз, при. котором создается распределение поля, резко ослабляющее проникновение частоты 9 400 Мгц в коаксиальную линию, по которой в резонатор подается сигнал:

В данной конструкции сигнал подается н выводится из резонатора по одному и тому же коаксиальному кабелю. Совмещение входа и выхода (одни ворота ) характерно для любых конструкций резонаторных КУ.

В принципе можно осуществить конструкцию проходного тина с раздельными входом и выходом. Однако такая конструкция никаких преимуществ не дает, не устраняет связи входных и выходных зажимов и увеличивает вдвое вносимые линиями связи потери (в резонатор потери вносятся входной и выходной линиями), что ухудшает добротность резонатора.

Таким образом, типовая конструкция усилителя является отражательной. В этом приборе усиление происходит в результате отражения сигнала от резонатора с отрицательными потерями, а разделение входного и усиленного (отраженного) сигналов осуществляется с помощью специальных устройств - циркуляторов, использующих различие поляризаций прямого и обратного сигналов.

Ось кристалла .

Рис. 29-11. кристалл цианида хрома.

Согласованная

Рис. 29-12. Резонаторный квантовый усилитель.

о ~7антениа; г. s - коаксиальная линия на 2 800 Мгц (вход и выход усиленного Сигнала) j 4-циркулятор; 5 - к вакуумному насосу; 6-сосуд с жидким азотом; 7 -сосуд с жидким гелием; 8 - парамагнитный кристалл; 9 - двухчастот-ный резонатор; 10 - волновод на 9 400 Мгц (накачка).

Коаксиальная линия связана с резонатором посредством петли связи. Величина связи может регулироваться путем враще-

ния петли и изменения глубины ее погружения в резонатор. Колебания накачки (9 400 Мгц) подаются в резонатор по волноводу, который для уменьшения теплоот-вода сделан из нержавеющей стали, а для уменьшения потерь посеребрен изнутри.

Резонатор помещен в двойной сосуд Дьюара, наполненный жидким гелием, находящимся при температуре 1,25° К. (При нормальном давлении гелий кипит при 4° К. Для поддержания более низкой температуры требовалась непрерывная откачка паров гелия из сосуда, что позволяло получить давление 10-20 мм рт. ст. и указанную температуру). Нижняя часть криостата вместе с находящимся в ней резонатором расположена между полюсами мощного магнита.

Такое устройство допускало непрерывную работу в течение нескольких часов.

Время спин-спиновои релаксации в кристалле в зависимости от ориентации кристалла относительно Но составляло Т2=10 8-~Т0-9 сек, а время спин-решетчатой релаксации не зависело от ориентации кристалла и было равно Т,=0,2 сек.

Основные характеристики резонаторных квантовых усилителей

Совмещение входа и выхода в РКУ позволяет рассматривать его как устройство, в котором отраженная волна больше падающей (рис. 29-13) в результате отражения

Рис 29-13. Отражение радиоволн в активном резонаторе РКУ.

/ - сигнал; 2- сигнальный волновод; 3- накачка; 4 - парамагнитный кристалл; 5 - резонатор.

от активного резонатора с отрицательным результирующим затуханием. Таким образом, условие усиления определяется выражением

\~du\<d0, (29-10)

где d0 - затухание ненагружениого резонатора, зависящее от потерь в стенках резонатора и от диэлектрических потерь в парамагнитном образце;

йы - магнитное затухание , вносимое в резонатор активным образцом. dM<0 в состоянии вынужденного излучения и положительно в равновесном состоянии (при отсутствии накачки). Система связи с волноводом или коаксиальной линией вносит в резонатор затуха-