Атомных и молекулярных генераторов

3.1.1. Рабочее вещество

Квантовые генераторы диапазона СВЧ предназначены для генерации колебаний, обладающих высокой точностью установки и стабильностью частоты. Значение этих параметров определяется, главным образом, шириной используемой спектральной линии рабочего вещества. Чем меньше ширина спектральной линии, тем лучше параметры генератора. Поэтому для генерации высокостабильных колебаний СВЧ, как правило, используются газообразные рабочие вещества. Однако даже в разреженных газах тепловое движение частиц приводит к уширению линии вследствие соударений частиц друг с другом, со стенками сосуда и из-за влияния эффекта Доплера.

Воздействие указанных факторов на ширину линий может быть существенно ослаблено, если вместо обычных газов с хаотическим движением частиц использовать направленные потоки молекул или атомов, слабо взаимодействующих друг с другом, т.е. движущихся почти без соударений. Такие потоки частиц, называемые молекулярными или атомными пучками, используются в качестве рабочего вещества в большинстве квантовых генераторов СВЧ. В зависимости от вида используемых частиц генераторы называют молекулярными (МГ) или атомными (АГ).

К рабочему веществу молекулярных и атомных генераторов предъявляются следующие требования:

- энергетический спектр частиц должен иметь переходы с частотами, попадающими в диапазон СВЧ;

- рабочие уровни должны соответствовать не слишком большим значениям энергии, чтобы они эффективно заселялись при температуре, легко достижимой в источнике пучка;

- вероятность вынужденного перехода между рабочими уровнями должна быть достаточной для обеспечения эффективной передачи энергии от пучка атомов или молекул электромагнитному полю;

- вещество должно быть химически устойчивым и не токсичным.

Одновременно всем перечисленным требованиям удовлетворяют лишь немногие вещества. В настоящее время созданы молекулярные генераторы на аммиаке, формальдегиде, атомный генератор на водороде и некоторые другие.

3.1.2. Устройство и принцип действия молекулярного и атомного генераторов

Схема устройства и принцип действия всех молекулярных и атомных генераторов пучкового типа в основных чертах одинаковы. На рис. 3.1 представлена схема устройства генераторов такого типа, там же приведены основные функциональные узлы МГ (АГ): источник молекулярного или атомного пучка, сортирующее устройство и резонатор. Все перечисленные функциональные узлы находятся в корпусе, внутри которого поддерживается высокий вакуум.

Рис. 3.1. Схема устройства молекулярного генератора

пучкового типа

Источник пучка формирует из поступающего в него газа направленный поток микрочастиц, движущихся почти без соударений друг с другом в сторону резонатора. Микрочастицы в пучке, выходящем из источника, распределены по энергетическим уровням в соответствии с законом Больцмана.

Сортирующее устройство предназначено для создания инверсии населенностей на двух выбранных рабочих уровнях. Данная задача решается путем пространственного разделения частиц, находящихся в различных энергетических состояниях. Сортирующее устройство обеспечивает фокусировку микрочастиц верхнего рабочего уровня на оси прибора и удаление микрочастиц нижнего рабочего уровня на периферию. В результате этого в пучке, поступающем в резонатор, населенность верхнего рабочего уровня оказывается больше, чем нижнего: .

Резонатор предназначен для отбора энергии от молекулярного (атомного) пучка. Под воздействием электромагнитного поля резонатора, настроенного на частоту рабочего перехода f_ji, в пучке происходят вынужденные переходы микрочастиц с одного рабочего уровня на другой. Поскольку населенность верхнего уровня больше, чем населенность нижнего: , энергия передается от пучка полю резонатора, из которого она частично отводится в нагрузку.

"Отработанные" молекулы (атомы), вылетевшие из резонатора совместно с отсортированными сортирующей системой, отводятся из генератора вакуумным насосом.

Процесс самовозбуждения генератора начинается с вынужденных переходов некоторых микрочастиц под воздействием поля теплового излучения стенок резонатора. Если мощность вынужденного излучения оказывается больше мощности потерь, то в резонаторе происходит накопление энергии. При этом количество вынужденных переходов в единицу времени возрастает, что в свою очередь приводит к дальнейшему росту амплитуды колебаний. Увеличение амплитуды при значительных интенсивностях пучка ограничивается тем, что растет число микрочастиц, совершающих до вылета из резонатора обратный поглощательный переход . В режиме установившихся колебаний мощность, излучаемая частицами, расходуется на компенсацию потерь в резонаторе и в нагрузке.

Все молекулярные и атомные генераторы пучкового типа состоят из одинаковых по назначению и выполняемым функциям узлов. Однако они существенно различаются между собой по конструкции этих узлов.

Ниже рассмотрим особенности устройства и работы водородного генератора, обладающего наивысшей стабильностью частоты.

3.1.3. Генератор на пучке атомов водорода

Как известно, атом водорода состоит из одного протона и одного электрона. Протон и электрон обладают спиновыми магнитными моментами, взаимодействие которых приводит к расщеплению основного уровня на два так называемых уровня сверхтонкой структуры. Во внешнем магнитном поле наблюдается эффект Зеемана: верхний из уровней сверхтонкой структуры расщепляется на три магнитных (зеемановских) подуровня 2, 3, 4, положение которых зависит от напряженности магнитного поля (рис. 3.2).

W 4

3

f₁₃

0 H

Рис. 3.2. Энергетические уровни атома водорода

Нижний нерасщепляющийся уровень 1 сверхтонкой структуры при изменении магнитного поля Н также испытывает смещение. В качестве рабочего перехода в генераторе используется переход между уровнями 1 и 3 с частотой при Н = 0. Выбор этого перехода обусловлен следующими причинами: частота перехода f₁₃ в слабых магнитных полях практически не зависит от Н, что необходимо для обеспечения высокой стабильности частоты генератора; характер смещения уровней 1 и 3 в сильных магнитных полях позволяет осуществить пространственную сортировку атомов водорода.

Источник атомного пучка представляет собой камеру объемом в несколько кубических сантиметров, имеющую одно входное и ряд выходных отверстий. Через входное отверстие в камеру под давлением ~ 0,1 - 0,5 тор подается молекулярный водород. С помощью высокочастотного генератора в газе возбуждается разряд, вызывающий диссоциацию молекул, т.е. распад их на атомы. Образовавшийся атомарный водород истекает из камеры по параллельным выходным каналам в область низкого давления (~ 10^-7 тор). Для того чтобы при выходе из источника газ образовывал атомарный пучок, а не турбулентную струю, в которой происходят соударения между атомами, диаметр выходных отверстий выполнен меньшим, чем длина свободного пробега атомов. Необходимая скорость истечения газа обеспечивается увеличением количества каналов.

В качестве примера можно привести следующие данные источника атомного пучка одного из действующих водородных генераторов. Источник представляет собой разрядную камеру диаметром и длиной около 25 мм, помещенную между двумя катушками лампового генератора с частотой колебаний ~ 110 МГц и мощностью ~ 10 Вт. Пучок формируется системой из 150 параллельных каналов диаметром 8×10^{-2 мм и длиной 1,4 мм. Источник дает около 1017} атомов в секунду.

Сортирующее устройство водородного генератора представляет собой шестиполюсный магнит (рис. 3.3), создающий резко неоднородное магнитное поле: минимальное на оси и быстро возрастающее при удалении от нее. Сортировка атомов основана на использовании зависимости их внутренней энергии от напряженности внешнего магнитного поля. В соответствии с общим физическим законом атомы стремятся занять в пространстве наиболее устойчивое положение, при котором их энергия во внешнем поле была бы минимальной. Так как энергия атомов верхнего рабочего уровня 3 (рис. 3.2) минимальна при Н = 0, то в неоднородном магнитном поле на них действует сила, направленная к оси системы. Она обеспечивает фокусировку атомов верхнего рабочего уровня на оси прибора при входе в резонатор. Напротив, энергия атомов нижнего рабочего уровня 1 уменьшается с ростом Н, поэтому они перемещаются от оси прибора на периферию. В результате сортировки атомов, в пучке, входящем в резонатор, населенности рабочих энергетических уровней оказываются инвертированными: . При полном потоке из источника 10¹⁷ поток атомов верхнего уровня, попадающих в резонатор, составляет 10¹³ . Размеры типичного сортирующего магнита следующие: длина 100 мм, зазор между полюсами ~ 3 мм.

Рис. 3.3. Сортирующее устройство водородного генератора

Взаимодействие атомов водорода с электромагнитным полем осуществляется в цилиндрическом резонаторе с колебаниями ТЕ₀₁₁. Использование этого типа колебаний позволяет получить высокое значение собственной добротности, необходимое для обеспечения самовозбуждения генератора. Существенное влияние на параметры генератора оказывает время взаимодействия атомов с полем. Как будет показано ниже, при увеличении времени взаимодействия уменьшается необходимый для работы молекулярного или атомного генератора поток активных частиц и возрастает стабильность частоты. В водородном генераторе для увеличения времени взаимодействия атомов с полем в резонаторе установлена накопительная камера. Она представляет собой кварцевую колбу, покрытую изнутри тонким слоем тефлона, с небольшим входным отверстием для прохода атомного пучка (рис. 3.4).

Резонатор тефлон

Входящий выходящий газ

пучок

кварцевая накопительная камера

Рис. 3.4. Накопительная камера

Попав в камеру, атомы испытывают многократные столкновения со стенками, прежде чем покинут ее через то же самое входное отверстие. Использование накопительной камеры оказывается возможным благодаря следующей важной особенности атомов водорода. Их внутреннее состояние не изменяется при соударении со стенками накопительной камеры, покрытой тефлоном или парафином. Время взаимодействия атомов с полем составляет примерно 1 секунду.