Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Доклад - Квантовые парамагнитные усилители - файл 1.doc


Доклад - Квантовые парамагнитные усилители
скачать (371.5 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc372kb.21.11.2011 22:46скачать

содержание

1.doc

Определение
Квантовым парамагнитным усилителем (КПУ) называют такое устройство, в котором увеличение энергии электромагнитной волны происходит за счет индуцированного излучения при парамагнитном резонансе вещества, находящегося в активном состоянии (характеризуемого отрицательной температурой).

Явление селективного поглощения электромагнитных волн парамагнетиком, помещенным в магнитное поле, называется электронным парамагнитным резонансом.
Особенности устройства
Существует несколько типов конструкции квантовых парамагнитных усилителей: резонаторные усилители, которые в свою очередь делятся на резонаторные усилители проходного и циркуляторного типов, а также квантовые усилители бегущей волны (УПБВ).

Конструкция резонатора зависит от свойств кристалла и от рабочего диапазона волн. Обычно используют полосковые резонаторы, так как их удобно располагать между полюсами магнита. В таких резонаторах также проще получить больший коэффициент заполнения рабочим веществом. Замедляющие системы обычно выполняют в виде штырей, расположенных в волноводе. Система обладает большим замедлением групповой скорости, широкополосностью, малыми потерями.

Рассмотрим рисунок 1. Глубокое охлаждение достигается погружением резонатора с кристаллом в двойной сосуд Дюара. Резонатор изготовляют из материала с малым температурным коэффициентом расширения, например, из инвара, что облегчает настройку. Резонатор герметизируют, чтобы при охлаждении в нем не сжижался воздух. Иногда резонатор заполняют жидким гелием, однако вследствие выделения тепла кристаллом в резонаторе образуются пузырьки газа, ухудшающие стабильность усиления. Линии ввода сигнала и накачки изготавливают из материала с малой теплопроводностью. Специфическим является требование двухчастотности резонатора, т. е. способности его резонировать на частотах сигнала и накачки. Парамагнитный кристалл помещают в пучности магнитных полей сигнала и накачки с учетом требуемой ориентации оси кристалла и постоянного магнитного поля.

Рассмотрим рисунок 3. Особенность представленного усилителя в наличии отдельных передающих линий для входного и выходного сигналов. Для прохождения усиливаемого сигнала только в одном направлении применяются ферритовые вентили. Проходной резонатор конструктивно сложнее, чем отражательный, так как содержит три устройства связи: два для передачи сигнала и одно для накачки.






Рисунок 1 – Устройство
однорезонаторного парамагнитного усилителя:

1 – резонатор с кристаллом;
2 – сосуд с жидким гелием; 3 – сосуд с жидким азотом; 4 – полюса магнитной системы; 5 – линия ввода и вывода сигнала; 6 – линия накачки.


Рисунок 2 – Структурная
схема усилителя с отражательным резонатором:

1 – согласованная нагрузка;

2 – циркулятор; 3 – источник сигнала;
4 – приемник; 5 - резонатор с кристаллом.

6 - источник накачки.








Рисунок 3 - Структурная схема усилителя с проходным резонатором:

1 - источник сигнала; 2 - вентиль; 3- источник накачки; 4 - резонатор с кристаллом; 5 – приемник.


Рисунок 4 - Устройство парамагнитного усилителя бегущей волны:

1 – парамагнитный кристалл, 2 – феррит, 3 – коаксиал, 4 – волновод.



^ Принцип действия


  1. Резонаторные усилители

Для ввода и вывода в резонатор сигналов используется одна линия передачи. Эти сигналы, распространяющиеся в противоположных направлениях разделяют при помощи циркулятора — невзаимного устройства, пропускающего электромагнитные волны между двумя соседними плечами только в одном направлении (рисунок 2).

Входной сигнал попадает в циркулятор, а из него в резонатор с парамагнитным кристаллом. В резонаторе происходит регенеративное усиление, и усиленный отраженный сигнал через циркулятор поступает на приемник сигнала. Шумы, излучаемые входом приемника, а также отраженная от него мощность при плохом согласовании приемника и источника сигнала могут попасть через циркулятор на вход резонатора. Для устранения этого нежелательного явления вслед за приемником к циркулятору подключают согласованную нагрузку. Нагрузку следует охлаждать, поскольку ее шумы поступают на вход усилителя.

  1. УПБВ

Усиливаемый сигнал подводится к отрезку волновода, внутри которого расположена замедляющая система штыревого или какого-либо иного типа (рис. 4). По одну сторону от замедляющей структуры размещается парамагнитный кристалл, а по другую — вентильный кристалл, обеспечивающий невзаимность устройства. Применение замедляющей структуры позволяет уменьшить скорость электромагнитной волны в десятки или сотни раз и тем самым получить нужную эффективность взаимодействия волны с активным веществом при длине парамагнитного кристалла, в десятки или сотни раз меньше той, которая потребовалась бы для того же эффекта в свободном пространстве.

Активное вещество располагают в той части замедляющей системы, где высокочастотное магнитное поле, создаваемое сигналом, имеет круговую поляризацию. Это обеспечивает так называемое невзаимное взаимодействие поля усиливаемого сигнала с парамагнитным кристаллом: электромагнитная волна, распространяющаяся от входа замедляющей системы к ее выходу, эффективно взаимодействует с веществом, вызывая интенсивное индуцированное излучение, связанное с парамагнитным резонансом. Волна, отраженная от выхода замедляющей системы, с парамагнитным кристаллом практически не взаимодействует.

Эффект невзаимного взаимодействия усиливается применением вентильного кристалла, интенсивно поглощающего отраженную волну и практически не создающего затухания для волны, движущейся в прямом направлении.

При любой конструкции колебательной системы к парамагнитному кристаллу через отдельный волноводный или коаксиальный фидер подводится от специального генератора сигнал накачки. Вентильное устройство служит для защиты генератора накачки от воздействия отраженной от колебательной системы волны. Аттенюатор используется для регулирования уровня мощности накачки, подводимой к парамагнитному кристаллу.
Глубокое охлаждение рабочего вещества КПУ и колебательной системы необходимо по ряду причин:

  • Уменьшение интенсивности тепловых процессов в активном веществе и соответствующее увеличение времени релаксации системы. При низких температурах, таким образом, для получения нужного коэффициента инверсии населенностей требуется меньшая мощность сигнала накачки

  • Понижение температуры уменьшает уровень шумов.


Повышение температуры парамагнетика усиливает тепловое движение атомов кристаллической решетки и сокращает время спин - решеточной релаксации. А это означает чем меньше время спин - решеточной релаксации тем быстрее система придет в состояние термодинамического равновесия, вследствие перераспределения энергии между спинами и решеткой.

Магнитное поле необходимо в КПУ для расщепления энергетических уровней и должно быть достаточно однородным и стабильным. В некоторых КПУ применяют магниты со сверхпроводящими обмотками.

Заключение
Однорезонаторные парамагнитные усилители разработаны в диапазоне частот 0,7-100 ГГц с площадями усиления от 10 до 100 МГц. Рабочие температуры составляют 1,6—4,2 К, в отдельных случаях повышаются до 40 - 77 К. Магнитные поля в зависимости от диапазона меняются в пределах 0,02 - 0,7 Т.

Парамагнитные усилители бегущей волны разработаны в диапазоне от 1,4 до 70 ГГц с коэффициентом усиления 20-40 дБ и полосами пропускания в несколько десятков мегагерц. Для расширения полосы линии парамагнитного резонанса на отдельных участках кристалла сдвигают друг относительно друга с помощью неоднородного магнитного поля. Этот метод позволяет расширить полосу до нескольких сотен мегагерц. Перестройка центральной частоты усиления возможна в полосе от нескольких процентов до 30%.

Список использованных источников
1. Андрушко, Л.М. Электронные и квантовые приборы СВЧ / Л.М. Андрушко, В.М. Бурмистенко. – М., «Связь» 1974. – 192 с.

2. Дулин, В.Н. Электронные и квантовые приборы СВЧ / В.Н. Дулин. - М., «Энергия», 1972. – 224 с.

3. Федоров, Н.Д. Электронные приборы СВЧ и квантовые приборы /
Н.Д. Федоров. - М.: Атомиздат, 1979 — 288 с.




^ КВАНТОВЫЙ ПАРАМАГНИТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ



П
Р06-09
ервичное применение




Справочный №




Копировал: Формат А4

Изм

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Разраб.

Курносов А.




Пров.

Изотов А.В.













Н.контр.







Утв.







160100 ДО 210301 Д


4

Листов


Лист


Лит.

Р06-09


Подпись и дата




Инв. № дубл.




Взам. инв. №




Подпись и дата




Инв. № подл.








Скачать файл (371.5 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации