Квантовые парамагнитные усилители СВЧ

В твердых кристаллах, имеющих в составе ионы хрома Cr⁺³, железа Fe⁺³ и др. элементов с нескомпенсированным магнитным моментом, образуются магнитные диполи. Широко известны кристаллы рубина, основой которого является корунд Аl₂О₃ с замещением диамагнетика Аl⁺³ ионами парамагнетика Cr⁺³ (доли %). Применяются также кристаллы рутила (основа ТiО₂) и вольфрамата цинка (основа W₂Zn₃) с примесью хрома Cr⁺³, андалузита (основа Аl₂SiО₅) с примесью железа Fe⁺³ и др. В этих кристаллах при подаче внешнего магнитного поля магнит-ный момент диполя (при несовпадении их векторов) начинает прецессировать вокруг направления (рис. 9.1) с частотой

, (9.1)

где е и т – заряд и масса электрона; g – фактор Ланде (обычно g=2 при проявлении в атоме спинового магнитного момента); μ – относительная магнитная проницаемость парамагнетика,т.е.

, (9.2)

где при g = 2 коэффициент пропорциональности принимает значение

γ ≈ 2,8 МГц/э ≈ 3,5∙10^-2 .

На рис. 9.1 ω_пр=2π .

а) б)

Рис. 9.1. Прецессия вектора магнитного момента вокруг вектора внешнего

магнитного поля , совпадающего с осью z (а), и возможность взаимодействия с «необыкновенной» волной ЭМП линейной поляризации (б)

Прецессионные колебания быстро затухают, но если на парамагнетик (ПМ) воздействовать ЭМП с частотой ω=ω_пр, то энергия ЭМП будет поглощаться в ПМ:

а) при ортогональном положении векторов _~ и при продольном распространении электромагнитного поля круговой поляризации и совпадении направления вращения проекции т_r и _~;

б) при поперечном распространении линейно поляризованного ЭМП соответствующей частоты ω=ω_при поляризации вектора _~, который можно представить право- и левополяризованными векторами ( _{~ прав}, _{~ лев}), первый из которых и будет взаимодействовать с ПМ (рис. 9.1, б).

Упомянутое явление носит название электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и было открыто Е.К. Завойским в 1944 году в СССР. При поглощении ЭМП вектор может занимать в пространстве фиксированные положения, например, (угол φ=φ₂ квантован, рис. 9.1, а), что соответствует изменению энергии магнитного диполя во внешнем магнитном поле . Это соответствует «расщеплению» энергии уровня на подуровни, рассмотренному ранее как эффект Зеемана. В результате в ПМ возникает система подуровней, которые можно использовать в простейшем случае как трехуровневую (и более) систему получения состояния инверсной населенности с помощью генератора накачки (см. рис. 7.1) и создания квантовых парамагнитных усилителей СВЧ (КПУ СВЧ).

В зависимости от угла Θ между вектором поля и осью кристалла изменение энергии подуровней будет различным. Например, для рубина при Θ≈55⁰ «расщепление» на подуровни будет симметричным (рис. 9.2), что можно использовать для реализации четырехуровневых схем получения инверсной населенности в ПМ (рис. 9.3). В трехуровневых системах и в первой четырехуровневой схеме (рис. 9.3, а) частота накачки f_н больше частоты усиливаемого сигнала f_с.

Достоинство этой четырехуровневой схемы, по сравнению с трехуровневой, в возможности получения большей населенности рабочего уровня при той же мощности накачки или той же населенности при меньшей мощности накачки (иначе – в большей её эффективности и КПД). Схема на рис. 9.3, б позволяет получить соотношение f_н< f_с, что очень важно для усилителей СВЧ на длины волн около 1÷3 см. На рис. 9.3 величины и – времена жизни магнитных диполей на соответствующем уровне.

Рис. 9.2. Симметричное «расщепление» Зеемана на подуровни в рубине

Рис. 9.3. Четырехуровневые симметричные схемы получения

состояния инверсной населенности

Сигнальные переходы в ПМ при обычной температуре сопровождаются спонтанным излучением, что эквивалентно увеличению шума. Для резкого уменьшения спонтанных переходов (шумов) необходимо охлаждение ПМ до температур жидкого гелия или азота. Необходимо также оптимизировать концентрацию ионов Cr⁺³ и других в ПМ для увеличения времени жизни или за счет уменьшения взаимодействия между спинами электронов и между спинами и атомами (спин-спиновые и спин-решетчатые взаимодействия) и тем самым уменьшения безызлучательных переходов, снижающих инверсию.

Конструктивно КПУ могут выполняться с использованием резонаторов (на «проход» и на «отражение», рис. 9.4, а, б) или замедляющей системы в волноводе как КПУ бегущей волны (БВ) (рис. 9.5), работающего на проход.

а) б)

Рис. 9.4. Схемы включения КПУ резонаторного типа:

а) на проход; б) на отражение

Рис. 9.5. Эскиз конструкции КПУ БВ (без криостата)

Квантовый парамагнитный усилитель БВ содержит несколько магнитов вдоль ЗС, имеющих различную напряженность магнитного поля Н₀₁<Н₀₂<Н₀₃ и т.д. В результате образуются ЭПР на разных частотах так, чтобы соседние полосы частот частично перекрывались. В результате общая полоса усиливаемых частот в КПУ БВ достигает 200 МГц и более. В резонаторных КПУ полоса усиления составляет не более 10÷15 МГц при коэффициенте усиления К_у=20÷25 дБ. В усилителе БВ можно получить существенно больший К_у, пропорциональный коэффициенту замедления , количеству замедленных длин волн и магнитному декременту затухания в парамагнетике:

, дБ, (9.3)

где с – скорость света; υ_с и λ_с – скорость распространения сигнала и длина его волны в ЗС размером l_зс; Q_т – магнитная добротность ПМ.

В волновод с ЗС и ПМ помещают также феррит с диэлектриком для поглощения отраженной волны от задней стенки волновода на частоте накачки, поступающей в волновод на входе (f_н > f_с).

Прямая волна на f_н почти полностью поглощается в ПМ (не взаимодействуя с ферритом), создавая за счет ЭПР (на частоте f_н) состояние инверсной населенности на требуемом уровне энергии. Отсутствие поглощения в феррите прямой волны накачки объясняется противоположностью направлений вращения векторов и _~ для феррита и совпадением направлений вращения (и частот) для ПМ, так как ПМ и феррит находятся в разных плоскостях (по отношению к продольной срединной оси волновода). Для волны Н₁₀ в этих плоскостях возни-кают противоположные направления вращения _~. Для отраженной волны накач-ки картина меняется на обратную.

Таким образом, КПУ БВ остается согласованным с генератором накачки СВЧ, который должен иметь широкую полосу генерируемых частот (например за счет линейной ЧМ).

В резонаторных КПУ размеры резонатора должны быть подобраны так, чтобы с учётом ПМ в резонаторе укладывалось целое число полуволн на частоте накачки f_н и аналогично – на частоте сигнала f_с (п≠т).

Для обеспечения минимума спонтанного излучения (минимума шумов) корпус резонатора или волновод КПУ БВ помещают в криостат с жидким воздухом (прилегающий криостат – жидкий гелий с Т=4,2 °К, т.е. t° ≈ -269 °С, внешний криостат – жидкий азот с t° ≈ -197 °С – для уменьшения выкипания гелия). Поэтому эквивалентная шумовая температура КПУ находится в пределах 5° ÷ 10 °К [Т_{ш. экв} = Т_раб(к_ш – 1)]. Коэффициент шума к_ш зависит от соотношения мощностей сигнала Р_с и шума Р_ш на входе и выходе КПУ:

к_ш= . (9.4)

Даже самые малошумящие ЛБВ-0 имеют Т_{ш экв} ≈ 400÷600 °К (к_ш = 2,5÷3, Т_раб ≈ 300 °К). Поэтому основное применение КПУ – входные усилители в СВЧ- приемниках для приема сигналов от космических станций, в радиоастрономии (радиотелескопы) и в РЛС дальнего обнаружения, включая самолетные.

Недостатки КПУ: насыщение при увеличении входного сигнала и падение К_у на время восстановления (доли секунды) необходимой инверсной населенности, а также влияние на качество работы КПУ внешних магнитных полей.