Квантовые приборы СВЧ - Учебное пособие

В предлагаемом учебном пособии "Квантовые приборы СВЧ" рассмотрены физические основы работы квантовых приборов, предназначенных для генерации, усиления и преобразования электромагнитных сигналов СВЧ диапазона. Учебное пособие рекомендуется для подготовки студентов всех форм обучения по следующим специальностям: "Лазерные системы в ракетной технике и космонавтике" 131200, "Радиотехника" 200700 и 552500, "Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования" 201300, "Промышленная электроника" 200400, "Аудивизуальная техника" 201400, "Радиоэлектронные системы" 201600, "Эксплуатация авиационной и космической техники" 552000 и др. Учебное пособие подготовлено к публикации кафедрой антенн и эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры радиотехнического факультета Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения.Для усиления и генерирования электромагнитных колебаний наряду с электровакуумными и полупроводниковыми приборами используются квантовые приборы, действие которых основано на взаимодействии электромагнитного поля с микрочастицами вещества (например, атомами, молекулами, ионами). Усиление электромагнитных колебаний в квантовых приборах происходит за счет внутренней энергии микрочастиц, которая передается ими электромагнитному полю при переходах между энергетическими уровнями. Структура энергетического спектра микрочастицы (относительное расположение энергетических уровней) зависит как от ее внутренних свойств, так и от условий, в которых она находится: наличия соседних микрочастиц, электрического и магнитного полей; температуры окружающей среды и т.п. Структура энергетического спектра ансамбля (совокупности) слабо взаимодействующих между собой микрочастиц близка к структуре энергетического спектра изолированной микрочастицы. Если одному и тому же значению энергии атома соответствуют различные состояния, отличающиеся друг от друга значениями описывающих их квантовых чисел, то такой уровень называется вырожденным.Микрочастицы могут переходить с одних энергетических уровней на другие самопроизвольно (без воздействия каких-либо внешних факторов), под влиянием внешнего электромагнитного поля и в результате взаимодействия со своим окружением (другими микрочастицами, кристаллической решеткой и т.д.).При спонтанном переходе микрочастицы с уровня Wj на уровень Wi происходит излучение кванта электромагнитной энергии ?Wji = Wj - Wi. Частота излучения определяется известным условием частот Бора (3-й постулат Бора) Кванты поля, испускаемые при спонтанных переходах, имеют случайные поляризацию и направление распространения.Под воздействием внешнего электромагнитного поля микрочастицы могут совершать вынужденные переходы в двух направлениях: на верхние и на нижние энергетические уровни. Если микрочастица совершает переход вверх с уровня Wj на уровень Wj, то ее энергия увеличивается на ?Wji = Wj - Wi. При переходе микрочастицы вниз с уровня Wj на уровень Wi имеет место процесс, обратный поглощению: происходит испускание микрочастицей фотона hfji, и энергия поля, индуцирующего переход, увеличивается. Число вынужденных переходов с уровня Wj на уровень Wi за время dt определяется произведением вероятности соответствующего перехода в 1 секунду в расчете на 1 микрочастицу - pji на населенность верхнего уровня nj и интервал времени dtЧтобы найти эти соотношения, рассмотрим изолированный ансамбль микрочастиц, находящийся в состоянии теплового равновесия с полем излучения, созданным самими микрочастицами. Учитывая, что населенности уровней , связаны между собой соотношением (1.2), и определяя из (1.8) спектральную плотность энергии излучения, находим Это выражение должно совпадать с известной формулой Планка для объемной плотности энергии равновесного теплового излучения в единичном интервале частот Соотношения между коэффициентами Эйнштейна можно получить, сравнивая (1.9) и (1.10). Сравнивая выражения (1.9) и (1.10) и учитывая при этом (1.11), находим соотношение между коэффициентами Эйнштейна для спонтанного и вынужденного излученийВ отличие от спонтанных и вынужденных переходов релаксационные переходы являются безызлучательными, т.е. не сопровождаются излучением или поглощением фотонов. При релаксационных переходах происходит обмен энергией между микрочастицами и их окружением. Например, если в результате взаимодействия с кристаллической решеткой атом переходит с верхнего уровня Wj на нижний Wi, то он отдает квант энергии тепловым колебаниям решетки. Скорость этого процесса характеризуется вероятностями релаксационных переходов в 1 секунду в расчете на 1 микрочастицу. Обозначим вероятность релаксационного перехода с уровня Wj на уровень Wi через wji, а вероятность перехода с уровня Wi на уровень Wj через wij, и найдем соотношение между ними.Частотную зависимость спектральной плотности электромагнитной энергии, излучаемой или поглощаемой микрочастицами при переходах между двумя энергетическими уровнями, называют спе

Содержание

1. Основные физические явления, используемые в квантовых приборах

1.1 Населенности энергетических уровней при термодинамическом равновесии

1.2 Переходы микрочастиц между энергетическими уровнями

1.2.1 Спонтанные переходы

1.2.2 Вынужденные (индуцированные) переходы

1.2.3 Соотношения между коэффициентами Эйнштейна

1.2.4 Релаксационные переходы

1.3 Ширина спектральной линии

1.4 Квантовое усиление

2. Квантовые парамагнитные усилители (КПУ)

2.1 Рабочее вещество

2.1.1 Энергетические уровни парамагнитных ионов

2.1.2 Релаксационные процессы в парамагнитных кристаллах

2.1.3 Электронный парамагнитный резонанс

2.2 Анализ работы КПУ

2.2.1 Принцип работы трехуровневой схемы

2.2.2 Расчет инверсной разности населенностей

2.2.3 Мощность, излучаемая активным веществом

2.3 Параметры и характеристики КПУ

2.3.1 Параметры отражательного однорезонаторного КПУ

2.3.2 Параметры КПУ бегущей волны

2.3.3 Собственные шумы КПУ

2.4 Конструкции КПУ

3. Квантовые стандарты частоты

3.1 Устройство и принцип действия атомных и молекулярных генераторов

3.1.1 Рабочее вещество

3.1.2 Устройство и принцип действия молекулярного и атомного генераторов

3.1.3 Генератор на пучке атомов водорода

3.2 Параметры и применение атомных и молекулярных генераторов

3.2.1 Пусковой поток

3.2.2 Выходная мощность

3.2.3 Ширина линии излучения

3.2.4 Стабильность частоты

3.2.5 Применение молекулярных и атомных генераторов

3.3 Пассивные стандарты частоты

Библиографический список

1. Панфилов И.П. Приборы СВЧ и оптического диапазонов. /Учебное пособие для высших учебных заведений. М: Радио и связь. 1993.200 с.

2. Страховский Г.М., Успенский А.В. Основы квантовой электроники. М: Высшая школа. 1979.303 с.

3. Никольский И.А. Квантовые усилители. М: Энергия. 1964.63 с.

4. Машковцев Б.М., Юзвинский В.И., Морозенский Ю.Л. и др. Техника СВЧ. Под. ред. Б.М. Машковцева Л: Военная ордена Ленина Краснознаменная академия связи. 1972.431 с.

5. Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия. Под. ред. С.А. Ахманова и М.Е. Жаботинского. М: Советская энциклопедия. 1969.432 с.

Размещено на .ru