30
для повышения чувствительности радиопри╦мных СВЧ-устройств (см. ниже).
Принцип действия. В К. у. для усиления эл.-магн. колебаний используется изменение внутр. анергии частиц при квантовых переходах из возбужд╦нного состояния в состояние с меньшей энергией. Такими .частицами являются парамагн. ионы, изоморфно входящие в виде небольшой примеси (сотые доли %) в Крпсталлич, реш╦тку диэлектрич. кристалла (и а р а-маги, кристаллы).
Во внеш. маги, поле Н осн. уровень парамагн. иона расщепляется на неск. подуровней (см. Зеемана эффект]. Интервалы между магн. подуровнями зависят от напряж╦нности магн. поля Я, при Я~103 Э они обычно соответствуют СВЧ-диапазону. Вероятность w вынужденных переходов между ними гтропорц. квадрату амплитуды мат. СВЧ-поля, воздействующего на ион, и квадрату нек-рой величины о*, характеризующей эффективность взаимодействия этого полк с ионом (о ≈ матричный элемент магнитно-дипольных переходов, зависящий от свойств иона в кристалле и от поляризации СВЧ-поля [1≈5]). Вероятность w одинакова для переходов с нижнего подуровня на верхний и в обратном направлении.
Если совокупность парамагн. ионов в кристалле находится в термодинамич. равновесии с кристаллич. реш╦ткой при темп-ре Т, то равновесные насел╦нности jVlp и ;V2p магн. уровней £t и £2 (£W2><&1) соответствуют распределению Больцмана:
накачки значительно превышает вероятности релаксац, переходов, то NI и 7V3 становятся почти одинаковыми (насыщение перехода #i<≈>^з)' В результате насыщения возникает инверсия населенностсй одной из пар уровней £!<->#а или £34-»£я, а именно на той паре, для к-рой произведение соответствующей
*
Itfr,
\ 3 \
«а
^~N
Рис, 1. а ≈ Больцмановское распределение члстиц; б пределение частиц при действии накачки.
≈ рас-
2p
= ехр
_ ИГ
(D
Равновесие устанавливается в системе парамагн. частиц в результате их взаимодействия с тепловыми колебаниями кристаллич. реш╦тки (спин-фонон-нос взаимодействие), к-рое вызывает безыз-лучат. (релаксац.) переходы £2 ->- £г с передачей энергии реш╦тке, а также релаксац. переходы в обратном направлении, имеющие меньшую вероятность. При действии на кристалл магн. поля СВЧ с частотой /≈ (<%≈c?i)/u происходят вынужденные переходы, прич╦м число переходов £t -*- #2 больше, чем в обратном направлении, т. к. N^>NZ и wlz^u)zl=iv. В результате ежесекундно ╧≈Nz) w частиц переходят с нижнего уровня на верхний, отбирая энергию у поля. В устаповившемся режиме столько же частиц под влиянием спин-фононньтх взаимодействий совершат релаксационные переходы в обратном направлении, передавая поглощенную энергию кристаллич. решеткет а через не╦ термостату (жидкому Не). Такое резонансное поглощение эл.-магн. энергии соответствует явлению электронного парамагнитного резонанса {ЭПР).
Если нарушить термодинамич. равновесие так, чтобы 7V2 стало больше Лгг (инверсия насел╦лностей), то интенсивность волны при е╦ прохождении через кристалл будет возрастать, т.к. излученная волна когерентна с волной, вызвавшей вынужденное испускание. Такой кристалл способен усиливать волну (активный кристалл). Мощность Р, излучаемая при этом единицей объ╦ма кристалла,
частоты / и вероятности релаксационных переходов меньше. Далее для определ╦нности предполагается инверсия на переходе S14r^Sz (рис. 1). Отношение (TV з ≈ NiVtA^p ≈ JV2p)≈ /, характеризующее эффективность накачки, наз. коэф. инверсии. Величина / зависит от отношения вероятностей релаксац. переходов между разными уровнями и увеличивается при увеличении отношения /н//.
Отношение N2jN-^ при отсутствии термодинамич. равновесия в системе (системе спиновых магн. моментов всех парамагн. частиц) можно записать аналогично (1) в виде:
Существуют методы создания инверсии насел╦нности в двухуровневых системах [2J, однако усиление при этом носит нестационарный во времени характер, что для практич. приложений в большинстве случаев неприемлемо. Наиболее эфф. методом, обеспечивающим стационарное усиление, является тр╦хуровневый метод. На систему парамагн. частиц, обладающих во внеш. магн. поле Н тремя (и более) подуровнями £lt #2» ^з (#3>^2>£i)i воздействуют вспомогат. излучением (накачкой) на частоте /н=(£3≈&i)/h. Если . 5 . интенсивность накачки достаточно велика, так что 334 вероятность w переходов #i-*-£3 иод действием
Величина Ts, наз. спиновой т е м п - р о и, становится отрицательной (7^<0) при ЛГ2>7У1.
Активные парамагнитные кристаллы. В К. у. применяются ионные кристаллы с примесью парамагн. попов элементов группы Fe и др. переходных металлов, сохраняющих при кристаллообразовании недостроенные d- или /- внутр. электронные оболочки, с к-рыми связан их парамагнетизм. Под воздействием электрич. внутри-кристаллического поля орбитальный магн. момент иона в основном состоянии в первом приближении равен нулю [1], и магн. момент иона обусловлен гл. обр. его спином. Вследствие остаточного влияния спил-орбитальной связи осн. уровень парамагн. иона во внутрикристаллич. поле расщепляется на неск. магн. подуровней (см. Штарка эффект]. Величина этого расщепления в кристаллах для К. у. соответствует радиодиапазону. При неч╦тном числе электронов на недостроенной оболочке иона эти магн. уровни вырождены (Крамерса теорема). Вырождение может быть снято только во внеш. магн. поле, где образуется система магн, уровней. Зависимость анергии этих уровией и величины матричных элементов переходов между ними от магн. поля имеет анизотропный характер {угол 0, рис. 2), Это расширяет возможность выбора квантовых переходов, соответствующих частотам сигнала и накачки.
Эффективность активного парамагн. кристалла в К. у. характеризуют величиной мнимой части комплексной магнитной восприимчивости %" па частоте / сигнала. При наличии инверсии ^"<0, прич╦м
-
(здесь и далее используется система СГС). Величина (N 2 ≈ NI) для радиодиапазона обратно пропорциональна темп-ре Т (см. ниже), что обусловливает необходимость низких темп-р (~4,2 К), при к-рых работает К. у.; Д/ (Гц) ≈ ширина линии ЭПР, а ≈ коэф., близкий к 1, зависящий от формы линии ЭПР. Ширина линии в
