квантовий підсилювач

Наши партнеры ArtmMisto

Кв а нтов підсил і тель, пристрій для посилення електромагнітних хвиль за рахунок вимушеного випромінювання збуджених атомів, молекул або іонів. Ефект посилення в К. у. пов'язаний зі зміною енергії внутрішньоатомних (пов'язаних) електронів, рух яких описується квантовою механікою . Тому, на відміну, наприклад, від лампових підсилювачів, в яких використовуються потоки вільних електронів, рух яких добре описується класичною механікою, ці підсилювачі отримали назву квантових (див. квантова електроніка ).

Т. к. Крім вимушених квантових переходів збуджених атомів в стан з меншою енергією можливі їх мимовільні (спонтанні) переходи, в результаті яких випромінюються хвилі, що мають випадкові амплітуду, фазу і поляризацію, то вони додаються до посилюваної хвилі у вигляді шумів . Спонтанне випромінювання є єдиним, принципово непереборним джерелом шумів До. Потужність спонтанного випромінювання дуже мала в радіодіапазоні і різко зростає при переході до оптичного діапазону. У зв'язку з цим К. у. радіодіапазону ( мазери ) Відрізняються виключно низьким рівнем власних шумів [у них відсутні шуми, пов'язані з нерівномірністю електронного потоку, неминучі в радіолампах (див. дробовий шум ); крім того, К. у. радіодіапазону працюють при температурах, близьких до абсолютного нуля, і шуми, пов'язані з тепловим рухом електронів в ланцюгах підсилювача, дуже малі]. Завдяки надзвичайно низькому рівню шумів чутливість До., Т. Е. Здатність посилювати дуже слабкі сигнали, велика. К. у. застосовуються в якості вхідних ступенів в самих високочутливих радіоприймальних пристроях в діапазоні довжин хвиль від 4 мм до 50 см .До. у. радіодіапазону значно збільшили дальність дії космічних ліній зв'язку з міжпланетними станціями, планетних радіолокаторів і радіотелескопів .

В оптичному діапазоні К. у. широко використовуються як підсилювачі потужності лазерного випромінювання. К. у. світла мають багато спільного з принципом дії і конструкції з квантовими генераторами світла (див. лазер ).

Вимушений перехід атома зі стану з енергією E 2 в стан з меншою енергією E 1 супроводжується виділенням кванта електромагнітної енергії E 2 - E 1 = h n (n- частота змушує і випускається хвиль, h - планка постійна ), Призводить до посилення коливань. Посилення, що створюється одним атомом, дуже мало. Але якщо коливання частоти n поширюється в речовині, що містить велику кількість однакових збуджених атомів, що знаходяться на рівні E 2, то посилення може стати досить великим. Атоми ж, що знаходяться на нижньому рівні E 1, в результаті вимушеного поглинання, навпаки, послаблюють хвилю. В результаті речовина буде послаблювати або посилювати хвилю в залежності від того, яких атомів в ній більше, не збудженому або збуджених, або, як кажуть, який з рівнів енергії більш населений атомами.

Якщо речовина знаходиться в стані рівноваги термодинамічної , То розподіл часток по рівнях енергії визначається його температурою, причому рівень з меншою енергією більш населений, ніж рівень з більшою енергією (рис. 1; див. Також Больцмана статистика ). Така речовина завжди поглинає електромагнітні хвилі. Речовина починає посилювати - стає активним, лише тоді, коли рівновага порушується і збуджених атомів стає більше, ніж збудженому ( інверсія населенностей ). Чим більше число атомів на верхньому рівні перевищує число атомів, що знаходяться на нижньому рівні, т. Е. Чим більше інверсна різниця населеності D N і = N 2 - N 1, тим ефективніше посилення.

Однак інверсне стан речовини не може існувати як завгодно довго. Після припинення зовнішнього впливу в результаті теплового руху частинок і взаємодії між ними через деякий час знову встановлюється рівноважний розподіл населенностей рівнів (рис. 1). Цей процес ( релаксація ) Відбувається і під час дії зовнішнього збурення, прагнучи відновити теплову рівновагу в речовині. Тому зовнішній вплив має бути досить сильним, щоб привести речовина в стан з інверсією населенностей і не повинно бути одноразовим.

Існують різні методи створення активного середовища. Для К. у. найбільш зручним виявився метод, заснований на використанні 3 рівнів енергії, запропонований Н. Г. Басовим і АМ. Прохоровим . Частки (атоми молекули або іони), в енергетичному спектрі яких є 3 рівня енергії E 1, E 2, E 3 (рис. 2), піддаються впливу сильного електромагнітного випромінювання (накачування). Частота цього випромінювання n відповідає частоті переходу між нижнім E 1 і верхнім E 3 рівнями (h n = E 3 - E 1).

Інтенсивність накачування повинна бути досить велика, щоб переходи E 1 ® E 3 відбувалися набагато частіше, ніж зворотні релаксаційні переходи. В цьому випадку населеності рівнів E 1 і E 3 вирівнюються. При цьому для однієї з пар рівнів E 1 і E 2 або E 2 і E 3 матиме місце інверсія населеності. Інверсія населенностей утворюється для пари рівнів з більш повільною релаксацією і з меншою різницею енергії.

Зі зниженням температури Т збільшується як рівноважна різниця населенностей D N рівнів (рис. 1), так і інверсна різниця населенностей D N і (рис. 2). Крім того, зниження температури сильно уповільнює релаксацію і тим самим знижує необхідну потужність накачування. Тому інверсію населенностей, достатню для створення ефективних К. у. радіодіапазону, вдається отримати при охолодженні речовини до температури кипіння гелію (4,2 К). Існують конструкції До., Які можуть працювати при температурах до 77 К (точка кипіння азоту) і навіть 190 К, але вони менш ефективні.

Найбільш підходящим матеріалом для К. у. радіодіапазону виявилися діамагнітниє кристали з невеликою домішкою парамагнітних іонів. Зазвичай застосовуються рубін (Al2O3 з домішкою іонів хрому Cr3 +), рутил (TiO2 з домішкою іонів Cr3 + і Fe3 +), смарагд [Be3Al2 (SiO3) 6 з домішкою окису хрому Cr2O3]. Для К. у. необхідні кристали об'ємом в декілька см 3, вирощені штучно з дуже чистих матеріалів із строго дозованою домішкою парамагнітних іонів.

У відсутності зовнішніх магнітних полів магнітні моменти іонів орієнтовані хаотично. У постійному магнітному полі магнітний момент може розташовуватися тільки під декількома певними кутами до магнітного поля H, енергія іона в цих положеннях різна (див. Зеемана ефект ).

Утворюється ряд рівнів енергії (магнітні підрівні), відстань між якими залежить від величини постійного магнітного поля H. Число магнітних підрівнів визначається спіном іона (рис. 3). Різниця енергії між ними при звичайних магнітних полях відповідає радіодіапазоні і може бути легко змінена зміною магнітного поля. Така речовина може посилювати радіохвилі потрібної частоти.

Основна характеристика будь-якого підсилювача електричних коливань - його коефіцієнт посилення К, що показує, у скільки разів амплітуда коливань на виході підсилювача більше амплітуди на вході. Чим більше шлях, який хвиля проходить в активній речовині, тим більше коефіцієнт посилення До. У кристалі рубіна хвиля, поширюючись на відстань, рівну її довжині l, збільшує свою амплітуду незначно. Т. о., Для отримання достатньої посилення необхідні монокристали великих розмірів, вирощування яких пов'язане з серйозними труднощами. Для К. у. з коефіцієнтом посилення 10 потрібні були б кристали (а, отже, і магніти) завдовжки в кілька м. Такий підсилювач був би дуже громіздким і дорогим.

Посилення можна збільшити, змусивши хвилю багаторазово проходити через активну речовину. Для цього активна речовина поміщають в об'ємний резонатор (Порожнину, обмежену металевими стінками). Хвиля, що потрапила з антени в резонатор через отвір в його стінці (отвір зв'язку), багато разів відбивається від стінок резонатора і тривало взаємодіє з активною речовиною (рис. 4). Посилення буде ефективним, якщо при кожному відбитті від стінки фаза відбитої хвилі збігається з фазою падаючої хвилі. Ця умова виконується при певних розмірах резонатора, т. Е. Резонатор гак само, як і сама речовина, повинен бути налаштований на частоту посилюваної хвилі. При кожному відбитті від стінки з отвором частина електромагнітної енергії випромінюється назовні у вигляді посиленого сигналу. Для поділу входу і виходу резонатора К. у. застосовується циркулятор (Рис. 5). Такий К. у. називається відбивним.

Для отримання оптимальних характеристик К. у. необхідно підібрати розмір отвору зв'язку, так як, окрім необхідного коефіцієнта посилення, К. у. повинен мати потрібну смугу пропускання, яка визначає його здатність посилювати сигнали, швидко мінливі в часі. Чим швидше в часі змінюється сигнал, тим більший частотний інтервал він займає (див., Наприклад, модуляція коливань ). якщо смуга пропуску підсилювача D n менше смуги частот, займаної сигналом, то відбудеться згладжування швидких змін сигналу в підсилювачі.

Т. о., Введення резонатора в конструкцію К. у. з одного боку збільшує його коефіцієнт посилення, а з іншого - у стільки ж разів зменшує його смугу пропускання. Останнє значно звужує сферу застосування підсилювача. Однорезонаторние К. у. не набули широкого поширення через неможливість забезпечити одночасно великий коефіцієнт посилення і широку смугу пропускання. Виявилося, що можна зберегти широку смугу пропускання при великому коефіцієнті посилення, застосувавши кілька резонаторів. Існує два типи багаторезонаторних К. у. - підсилювачі відбивного типу з циркулятором (рис. 6) і підсилювачі прохідного типу (рис. 7). У прохідних К. у. хвиля поширюється уздовж ланцюжка резонаторів, заповнених активною речовиною. У кожному резонаторі при значній смузі пропускання посилення невелика, але повне посилення всього ланцюжка може бути досить великим. Резонатори прохідного К. у. з'єднані один з одним феритовими навзамін елементами. Під дією постійного магнітного поля ферити набувають властивість пропускати хвилю, що поширюється в одному напрямку, поглинаючи зустрічну хвилю. Основним недоліком багаторезонаторних К. у. є складність перебудови частоти підсилювача, так як при цьому необхідно одночасно зі зміною магнітного поля Н міняти власну частоту великого числа резонаторів, що технічно важко.

Час взаємодії хвилі з речовиною можна збільшити, застосовуючи замість системи резонаторів уповільнюють системи . Швидкість поширення хвилі вздовж такої структури у багато разів менше швидкості поширення хвилі в радіохвилеводі або у вільному просторі. Відповідно збільшується і посилення при проходженні хвилею одиниці довжини кристала. Істотно, що уповільнюють структури широкосмугові. Це дає можливість перебудовувати частоту К. у. зміною тільки магнітного поля. Смуга пропускання таких підсилювачів, а також багаторезонаторних К. у. визначається шириною спектральної лінії . К. у. з уповільнює структурою отримали назву К. у. біжучої хвилі. У них також застосовуються ферити. Вони пропускають хвилю, що поширюється уздовж уповільнює структури в потрібному напрямку, і поглинають зустрічні, відбиті хвилі.

Потужність шумів К. у. зручно вимірювати, порівнюючи її з потужністю теплового випромінювання абсолютно чорного тіла .Спектр теплового випромінювання включає оптичний і радіодіапазоні. Т. о., Потужність шумів можна висловлювати через абсолютну температуру (див. шумова температура ). Гранична низька температура шуму До., Обумовлена спонтанним випромінюванням для l = 3 см, становить 0,5 К. Для більшості активних речовин, що використовуються в К. у., Потужність шуму коливається в межах від 1 До до 5 К. У реальних К. у. до цих мізерно малим шумів додається набагато потужніше теплове випромінювання підвідних радіохвилеводів та ін. конструктивних деталей. Потужність шумів, що випромінюється хвилеводом, можна характеризувати величиною b Т, де b - коефіцієнт поглинання хвилі, а Т - його абсолютна температура. Для зменшення шумів необхідно охолодити якомога більшу частину вхідних деталей. Але охолодити весь вхідний тракт до температури рідкого гелію неможливо. Тому не вдається знизити шуми К. у. з антеною до величини нижче 15-30 К. Це приблизно в 100 разів менше рівня шумів кращих підсилювачів, що були до появи До.

Охолодження К. у. виробляється рідким гелієм в кріостатах . Труднощі, пов'язані зі скраплення, транспортуванням і переливкою рідкого гелію з транспортних судин в кріостати, обмежують можливість застосування К. у., Ускладнюють і здорожують їх експлуатацію. Розроблено невеликі холодильні машини із замкнутим циклом руху охолоджуючого речовини. Маса такої машини, розрахованої на охолодження К. у. до 40 К, становить 10-20 кг .Машина, розрахована на отримання 4 К, важить більше ніж 200 кг і споживає потужність в декілька квт.

Літ .: Карпов Н. В., Маненков А. А., Квантові підсилювачі, М., 1966; Сигма А., Мазери, пров. з англ., М., 1966; Квантова електроніка. Маленька енциклопедія, М., 1969; Штейншлейгер В. Б., Місежніков Г. С., Ліфанов П. С., Квантові підсилювачі СВЧ (мазери), М., 1971.

А. В. Францессон.

Мал. 1. Розподіл часток по рівнях енергії в умовах термодинамічної рівноваги: ​​а - при температурі T1; б - при температурі T2 <T1; N - населеність рівнів енергії, DN - рівноважна різниця населенностей рівнів енергії Е 1 і Е 2.

Мал. 6. Відбивний підсилювач з 3 резонаторами.

Мал. 3. Енергетичні рівні парамагнітного іона в зовнішньому магнітному полі H розщеплюються на кілька магнітних підрівнів, число яких залежить від величини спина іона S; a) S = 1/2; б) S = 1; в) S = 3/2.

Мал. 2. Виникнення інверсії населенностей для рівнів енергії Е 2 і Е 3 в системі 3 рівнів Е 1, Е 2, Е 3 під дією накачування: а - при температурі речовини T1; б - при температурі T2 <T1. Пунктир показує розподіл часток по рівнях енергії при термодинамічній рівновазі.

Мал. 4. Об'ємний резонатор з активною речовиною.

Мал. 7. Схема квантового підсилювача прохідного типу з 3 резонаторами.

Мал. 5. Схематичне зображення відбивної квантового підсилювача з одним резонатором.