Схемы устройства резонаторного КПУ и КПУ бегущей волны показаны соответственно на рис. 2.6 и рис. 2.7. Кроме рабочего вещества, резонатора или замедляющей системы, генератора накачки и высокочастотных трактов сигнала и накачки, необходимыми элементами КПУ являются также магниты и криостат с жидким гелием. Магниты предназначены для создания постоянного магнитного поля, обеспечивающего необходимое расщепление энергетических уровней парамагнитных ионов. Криостат с жидким гелием, в который помещается резонатор или замедляющая система, обеспечивает охлаждение рабочего вещества до температур £ 4,2°К. Охлаждение КПУ до таких низких температур необходимо по ряду причин. Как уже отмечалось, при понижении температуры увеличивается излучаемая парамагнитным кристаллом мощность, уменьшаются тепловые шумы и увеличивается время спин-решетчатой релаксации, что позволяет достичь насыщения вспомогательного перехода при меньшей мощности накачки.
Рассмотрим особенности конструкции основных узлов КПУ.
1. Резонаторы. К резонаторам КПУ, помимо обычных требований высокой собственной добротности, возможности перестройки частоты и изменения связи с нагрузкой, предъявляется специфическое требование: они должны резонировать одновременно на частотах сигнала и накачки. В дециметровом диапазоне и длинноволновой части сантиметрового диапазона двухчастотные резонаторы обычно представляют собой полосковый резонатор на частоте сигнала и волноводный резонатор на частоте накачки. Устройство подобного резонатора схематически показано на рис. 2.8.
Рис. 2.6. Схема устройства резонаторного КПУ
На частоте сигнала резонатор образован четвертьволновой полосковой линией, у которой внутренним проводником является полоска 1, а внешним – волновод 2. На частоте накачки резонатор образован отрезком волновода между торцовой стенкой 3 и поршнем 4; в нем возбуждаются колебания типа ТЕ10р. Парамагнитный кристалл 5 расположен у торцовой стенки в области пучностей магнитных полей сигнала и накачки. В коротковолновой части сантиметрового диапазона часто используются волноводные резонаторы, целиком заполненные рабочим веществом. В них одновременно возбуждаются низший тип колебаний на частоте сигнала и один из высших типов на частоте накачки. Связь с волноводами сигнала и накачки осуществляется через отверстия в стенках резонатора.
Рис. 2.7. Схема устройства КПУ бегущей волны
2. Замедляющие системы. К замедляющим системам для КПУ предъявляются следующие требования: возможно больший коэффициент замедления по групповой скорости (в отличие от замедляющих систем электронных приборов, предназначенных для уменьшения фазовой скорости), достаточная широкополосность и малые потери. Кроме того, в замедляющих системах для КПУ структура высокочастотного магнитного поля должна быть такой, чтобы можно было легко осуществить невзаимное распространение, т.е. усиление прямой волны и ослабление обратной.
Указанным требованиям удовлетворяет штыревая гребенчатая замедляющая система, представленная на рис. 2.9,а. Она состоит из ряда штырей 1, установленных в прямоугольном волноводе 2 параллельно его широким стенкам. Основанием гребенчатой системы служит одна из узких стенок волновода. В КПУ бегущей волны с одной стороны от гребенки располагается парамагнитный кристалл 3, с другой – ферритовый невзаимный поглотитель 4. Усиливаемый сигнал передается по коаксиальной линии 5, усиленный – по коаксиальной линии 6. Сигнал накачки распространяется по волноводу 2 в виде основной волны ТЕ10, на которую гребенка не оказывает существенного влияния. Волновод может быть замкнут и представлять собой резонатор на частоте накачки.
Рис. 2.8. Схема устройства двухчастотного резонатора
Каждый штырь гребенки подобен четвертьволновой линии (на частоте сигнала), закороченной на одном конце и разомкнутой на другом, с колебаниями типа ТЕМ. Поэтому вблизи основания штырей силовые линии высокочастотного магнитного поля близки к концентрическим окружностям. В целом, замедляющая система подобна цепочке из связанных между собой четвертьволновых резонаторов. Магнитные силовые линии гребенки показаны на рис. 2.9,б пунктиром. Вектор напряженности высокочастотного магнитного поля с обеих сторон от гребенки имеет эллиптическую поляризацию. Направления вращения вектора в прямой волне отмечены на рис. 2.9,б. В обратной волне они противоположны. Исходя из классической модели парамагнитного и ферромагнитного резонанса, нетрудно понять, что при такой поляризации вектора прямая волна, взаимодействующая с активным парамагнитным веществом, не будет взаимодействовать с ферритом, в то время как волна обратного направления взаимодействует только с ферритом. В результате прямая волна усиливается, а обратная ослабляется.
Рис. 2.9. Схема устройства штыревой гребенчатой
замедляющей системы
Кроме описанной гребенчатой замедляющей системы, в КПУ применяются и другие типы штыревых замедляющих систем. При большой диэлектрической проницаемости парамагнитного кристалла необходимое замедление можно обеспечить путем заполнения волновода (с уменьшенными поперечными размерами) парамагнитным веществом.
3. Охлаждение. Криостаты, используемые в КПУ, обычно представляют собой двойные сосуды Дьюара, подобные показанному на рис. 2.7. Внутренний сосуд Дьюара заполняется жидким гелием, внешний – жидким азотом. Последний играет роль теплового экрана, который уменьшает поток тепла, поступающего извне в жидкий гелий, и тем самым способствует уменьшению расхода жидкого гелия. Разработаны также безазотные металлические криостаты. Емкость криостатов – единицы литров; время непрерывной работы усилителя без доливки жидкого гелия – от нескольких часов до одних суток. В случае длительной работы КПУ необходимость периодической заливки жидкого гелия в сосуд Дьюара существенно усложняет эксплуатацию усилителя.
В настоящее время разработаны холодильные машины замкнутого цикла, обеспечивающие охлаждение КПУ без заливки жидкого гелия извне, однако они имеют достаточно большие вес, габариты и потребляемую мощность.
4. Магнитные системы. Необходимое магнитное поле величиной порядка нескольких тысяч гаусс может быть создано постоянным магнитом или электромагнитом, между полюсами которого размещается криостат. Однако в этом случае зазор между полюсами магнита должен быть большим и магниты оказываются громоздкими и тяжелыми. Размеры и вес КПУ удается значительно уменьшить, используя постоянные магниты, размещенные внутри криостата. Наиболее удачным решением является применение электромагнитов со сверхпроводящими обмотками, устанавливаемых в криостате с жидким гелием. Помимо существенного уменьшения размеров и веса, это позволяет обеспечить стабильную работу КПУ благодаря исключению нестабильностей, связанных с изменениями магнитного поля.
с обеих сторон от гребенки имеет эллиптическую поляризацию. Направления вращения вектора 