Квантовые генераторы СВЧ

Существует огромное количество веществ, молекулы которых совершают колебательные или вращательные движения между устойчивыми положениями. Энергии этих состояний также квантованы, а при переходе с верхнего в нижнее состояние выделяются кванты в диапазоне СВЧ. Точно также возможны и обратные переходы с поглощением СВЧ-колебаний. Среди этих веществ можно отметить формальдегид Н₂СО, синильную кислоту НСN, аммиак NН₃ и др., на переходах в которых существуют квантовые генераторы СВЧ. В качестве примера рассмотрим квантовый генератор (КГ) на NН₃, использовавшийся долгое время в качестве молекулярного стандарта частоты. Относительная нестабильность частоты генерации у него составляет , что на два порядка выше, чем у прецизионных кварцевых генераторов. В аммиаке существует несколько перехо-дов и соответственно частот излучения. Наиболее существенный из них по эффективности – на частоте около 23870 МГц (длина волны λ ≈ 1,26 см).

Для создания состояния инверсной населенности в пучке NН₃, поступающего в резонатор с резонансной частотой f_р 23870 МГц, предварительно выполняют сортировку молекул NН₃, находящихся на нижнем и верхнем уровнях. Для этого используют свойство молекул (в том числе NН₃) поляризоваться во внешнем электрическом поле Е₀ и одновременно перемещаться в нем, если оно нелинейно (неоднородно). Это происходит ввиду конечных размеров электрических диполей и разных значений сил Кулона , действующих на противоположные заряды диполей. Указанное явление связано с эффектом Штарка расщепления энергетических уровней на подуровни под действием электрического поля (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Эффект Штарка

Изменение энергии диполя от поля Е₀ определяется нелинейным соотношением

∆W = –рЕ₀cosφ, (8.1)

где = α – дипольный момент; α – поляризуемость молекулы; φ – угол между осью диполя и направлением вектора электрического поля .

Особенностью молекул аммиака для частоты перехода f₂₁ 23870 МГц являются колебания атома азота относительно «плоскости» трех атомов водорода с образованием противоположных по полярности диполей. Поэтому для NН₃ проявление эффекта Штарка будет несколько различным (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Эффект Штарка для аммиака

Молекулы NН₃, находящиеся в верхнем энергетическом состоянии W₂, будут в нелинейном электрическом поле Е₀ перемещаться в минимум их потенциальной энергии (Е₀=0), а находящиеся в нижнем энергетическом состоянии W₁ – в область Е_{0 max}. Необходимо отметить, что диполи с энергией W₂ ориентированы против вектора поля , а с энергией W₁ – по вектору поля .

Физически на заряды ±q диполя длиной l будут действовать разные силы из-за различного значения Е₀. Поэтому суммарная сила будет смещать диполь в зависимости от его направления, соответственно в область возрастания или уменьшения напряженности поля Е₀. Отметим также, что использование в КГ пучка молекул (или атомов) резко ослабляет влияние эффекта Доплера на уширение спектральной линии, увеличивая степень монохроматич-ности излучения КГ.

Для сортировки молекул используется устройство с нелинейным элект-рическим полем, называемое квадрупольным конденсатором. Оно представляет собой четыре стержня определенного профиля, находящиеся под высоким напря-жением с чередующейся полярностью (рис. 8.3). Иногда используется восемь стержней, и такой конденсатор называется октупольным.

Рис. 8.3. Квадрупольный конденсатор

Максимум напряженности поля Е_{0 max}в нем будет между стержнями, в центре Е₀→0.

Поэтому в струе NН₃ молекулы, находящиеся в течение времени пролета через стержни в верхнем энергетическом состоянии, так и останутся в центральной области, а находящиеся в нижнем энергетическом состоянии пере-мещаются в область максимума поля Е_{0 max} между стержнями. На выходе стержней ставится диафрагма с центральным отверстием, через которое в основ-ном пролетают возбужденные молекулы NН₃, попадая далее в резонатор, настроенный на частоту перехода около 23870,11 МГц. Начавшиеся спонтанные переходы на этой частоте возбуждают колебания в резонаторе. Это ЭМП инициирует вынужденные переходы, и при необходимом притоке нужного количества N молекул NН₃ (N=N₀=10¹⁶÷10¹⁸ называется стартовым потоком) генерация становится непрерывной.

Мощность генерации может быть найдена по соотношению

Р_г= р₁hf₂₁N,(8.2)

где р₁ – вероятность нахождения молекулы NН₃ в нижнем состоянии; при боль-ших значениях w_f вероятность р₁ (переходы «вверх» и «вниз» равнове-роятны); hf₂₁ – энергия одного кванта; N – количество «активных» молекул в секунду, поступающих в резонатор.

Даже при N>>N₀ генерируемая мощность остается много меньше микроватта. Поэтому на выходе включаются многокаскадные малошумящие усилители СВЧ, после чего стабильные колебания ( ) преобразуются и используются для синхронизации прецезионного кварцевого генератора в стандарте частоты.

Конструктивно аммиачный квантовый генератор представляет собой баллон, в котором расположены источник пучка NН₃, сортирующая система (квадру-польный электрический конденсатор) с входной и выходной диафрагмами и резо-натор с входным и выходным отверстиями для пролета молекул аммиака. Воздух и NН₃ постоянно откачиваются из баллона вакуумным насосом. Для более качественного удаления аммиака из пространства баллона в нижней его части помещена полая металлическая пластина («под»), внутрь которой заливается жидкий азот (температура -197 ^оС) для вымораживания не откачанных молекул аммиака (температура его замерзания -78^оС). Аммиак в источник струи поступает из внешнего баллона с NН₃ через редуктор (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Устройство КГ на аммиаке

В квантовом стандарте частоты использовалось два квантовых генератора (КГ) на NН₃: один работал в течение месяца, пока на «поде» не намерзал толстый слой NН₃, а другой КГ стоял выключенным в запасе. Затем он включался, синхронизировался по работающему, после чего первый генератор выключался и размораживался (жидкий азот сливался в сосуд Дьюара). Через месяц процедура повторялась. Ввиду относительно невысокой стабильности частоты и неудобства процесса размораживания КГ на аммиаке были заменены более стабильными КГ.

В настоящее время наибольшее распространение получил атомно-водород-ный КГ и созданный на его базе стандарт частоты и времени. Принцип работы этого КГ напоминает КГ, описанный ранее. Отличие состоит в том, что здесь для сортировки атомов водорода, имеющих магнитный дипольный момент , используется эффект Зеемана («расщепление» энергетических уровней магнит-ных диполей на подуровни под действием внешнего постоянного магнитного поля Н₀, рис. 8.5).Соответственно и квадрупольный конденсатор здесь состоит из попарно намагниченных стержней (рис. 8.6).

Рис. 8.5. Эффект Зеемана для атомов водорода

Рис. 8.6. Квадрупольный магнитный конденсатор

На входе и выходе магнитной сортирующей системы также ставятся диафрагмы. Пучок атомов водорода создается в источнике струи после предварительной диссоциации молекул Н₂ с помощью ВЧ-поля (частота генератора 105 МГц) с последующей их фильтрацией через фольгу из никеля. После сортирующей системы атомы водорода, находящиеся преимущественно в верхнем энергетическом состоянии (они группируются по центральной оси магнитного конденсатора), попадают в резонатор с внутренней кварцевой колбой со специальным органическим покрытием изнутри. Колба необходима для увеличения времени пребывания атомов Н в резонаторе (для повышения вероят-ности индуцированных переходов сверху вниз) за счет многократных переот-ражений их от стенок колбы. В этом случае легче выполнить условие самовоз-буждения и генерации при относительно меньших пучках атомов водорода.

Для минимизации влияния внешнего магнитного поля на частоту излучения при переходе с верхнего на нижний уровень на резонатор помещают обмотку со стабильным током для создания некоторого рабочего значения магнитного поля Н_{0 раб} в резонаторе. Сверху также размещают многослойный магнитный экран из пермаллоя для нейтрализации влияния магнитного поля Земли на стабильность частоты. Частота излучения в этом КГ f₂₁ 1420,4 МГц (длина волны 21 см). Источником молекул Н₂ является металлический баллон с водородом. Откачка водорода из внутреннего пространства рабочего объема КГ осуществляется вакуумным насосом (рис. 8.7). Относительная нестабильность частоты водород-ного КГ достигает . После резонатора, на выходе которого мощность составлет единицы микромикроватт, также ставится малошумящий усилитель СВЧ и система синхронизации кварцевого генератора.

Рис. 8.7. Устройство КГ на водороде

КГ на водороде применяются в современных стандартах частоты и времени для высокоточных измерений в навигационных целях, а также для физических и радиоизмерений. Нижегородский научно-исследовательский приборостроитель-ный институт (ННИПИ) является ведущим в отрасли. В нем разработаны и производятся лучшие в мире водородные стандарты, покупаемые зарубежными компаниями в Европе и Америке. Там же разработаны так называемые пассивные стандарты частоты, где осуществляется подстройка под линии излучения рубидия или цезия. Они более компактны, но имеют хуже относительную нестабильность частоты.