|
|
кристаллах К. у. обычно ~50≈100 МГц и обусловлена спин-спиновыми взаимодействиями парамагн. ионов [1|, неоднородностью внутрикристаллич. no^flt магн. взаимодействием парамагп. ионов с диамагн. ионами реш╦тки, ядра к-рых обладают маги, моментами (ядерный парамагнетизм), а также неоднород-
6-_8_10 12 Н, кЭ
а 6
Рис. 2. Уровни Сг в рубине для диух углов 0 между внешним магнитным полем Н и тригональной осью симметрии кристалла; о ≈ для 6 ≈ 54°44' (для накачки используются 2 разных но частоте перехода §\-+╦я и gz-+£4, а переход £г-*£я соответствует частоте сигнала); б ≈ для 0^$0", частота сигнала обычно соответствует переходу £i-^£2, а для накачки используется переход £,-*£3 или- ╦ \-+g4; G/h и ГГц.
ностью внеш. пост, поля Н. Бстсств. ширина линии, обусловленная спонтанным испусканием между магн. уровнями, пренебрежимо мала, а уширение, связанное со спин-фононным взаимодействием, также мало при низких темп-рах.
Можно показать, что в радиодиапазоне, когда даже при Г=4,2 К hf<kT, для %" имеем:
где N ≈ число парамагн. ионов в 1 см3, п ≈ полное число магн. уровней осн. состояния нона во внешнем магн. поле. У кристаллов К. у. ^"~10~3, При малых N | х" I увеличивается с ростом TV, достигая максимума при нек-рой оптимальной концентрации, затем уменьшается из-за уменьшения коэф. инверсии /, что объясняется взаимодействием ионов и др.
Для того чтобы парамагн. кристалл мог быть эффективно использован в К. у., он должен удовлетворять след, требованиям. 1) Парамагн. ион должен обладать в осн. состоянии во впит. маги, поле системой из тр╦х или более магн, уровней. При этом расщепления между ними должны позволять усиливать сигналы заданной частоты при частоте накачки, находящейся в технически освоенном диапазоне. Для усиления сигнала обычно используют переход, для к-рого <т^1. 2) Величина матричного элемента о~н перехода накачки не должна быть ан<1+ чтобы не требовалась большая мощность накачки. По той же причине время спин-реш╦точной релаксации 7\ для перехода накачки должно быть возможно больше (для двухуровневых систем 7\ ≈ величина, обратная вероятности релаксац. переходов A zl; в многоуровневых системах Т± различно для разных пар уровней и зависит от всех Л [1]), Однако излишне большое Тг на переходе сигнала уменьшает величину максимально допустимой мощности сигнала на входе. Величина Т^ увеличивается при понижении J1, и при ^=4,2 К T^≈IO'3≈ 10-1 с. 3) Коэф. инверсии / желательно иметь возможно большим, В используемых кристаллах /~1. Кроме этого необходимы устойчивость кристаллов к физ.-хим. воздействиям, малые дяэлектрич. потери и др.
Совокупности перечисленных требований удовлетворяют лишь небольшое кол-во кристаллов. В существующих К, у. используются в основном рубин (кристалл корунда А120д с примесью Сг, рис. 2), реже рутил (Т102 с примесью Fe или Сг) [61. В экснерим. К. у. применяются также андалузит (Al2SiQ5 с при-
месью Fe) и изумруд (берилл Al2Be3Si(jOl8 с примесью Сг [3-7]).
К. у. бегущей волны. Квантовое усиление можно получить, если бегущая волна распространяется по волноводу, заполненному активным парамагн. кристаллом. Мощность волны возрастает экспоненциально вдоль кристалла, Коэф. усиления ≈ отношение мощности сигнала на выходе К. у. к мощности волны во входной линии (выраженный в дБ};
_273 _c_J_,
' it 3i ffi
ГР
Здесь I ≈ длина кристалла, К ≈ длина волны в свободном пространстве, ^гр≈ групповая скорость в
волноводе с кристаллом, £дБ≈ потери энергии в
элементах К. у. (в отсутствие ГШР), dm≈ магн. декремент активного кристалла, связанный с величиной у" соотношением:
,ff
Здесь | ≈ коэф. использования кристалла, характеризующий степень заполнения волновода активным кристаллом (|<1), а также отклонение направления и поляризации магн. поля волны от оптимальных условий, при к-рых а≈ о~макс.
Для получения требуемой величины коэф. усиления G при Угря*с и типичных значениях d/n необходимая
длина кристалла I неприемлемо велика в диапазоне А>1 ≈10 см. Для сокращения / уменьшают 1>Гр (т, е.
увеличивают время взаимодействия волны с активным веществом), применяя замедляющие системы.
В К. у. бегущей волны (рис. 3) из входной линии / возбуждается бегущая волна, к-рая, распространяясь
Рис. 3. Схема квантового усилителя бегущей волны; 2 ≈ входная коаксиальная лишая; 2 ≈
гребенчатая, замедляющая структура; з ≈ парамагнитный кристалл; 4 ≈ ферритовый вентиль; 5 ≈ волновод накачки.
вдоль гребенчатой структуры 2 в виде замедленной (в десятки раз) поверхностной волны, усиливается в кристалле 3, расположенном по одну сторону от замедляющей структуры (рис. 3). Наружный отражающий металлич. чехол 5 является частью замедляющей системы» ограничивает объ╦м, в к-ром распространяется эл.-магн. поле, и одновременно служит волноводом, по к-рому распространяется волна накачки. Усиленный сигнал поступает в выходную линию. Пост, поле //направлено вдоль штырей замедляющей структуры, а расположение кристалла обеспечивает требуемый угол 9 между кристаллографич. осью и направлением Н. Направления вращения вектора магн. поля распространяющейся волны, эллиптически поляризованной в плоскости, перпендикулярной штырям, противоположны по разные стороны греб╦нки. Эта особенность используется для устранения «паразитных» эффектов, вызванных многократными отражениями
'Г
3 са
О
h-
335
