Мазер на газообразном аммиаке

 

Изобретение относится к квантовой радиофизике. Мазер представляет собой замкнутую систему, включающую резервуар с газообразным аммиаком и разрядником, трубопровод с насосом подачи аммиака в резонатор и насосом откачки отработанного аммиака из резонатора и подачи его в резервуар. Резонатор выполнен в виде ступенчатого конуса. В систему встроены охладитель и нагреватель. Элементы отбора энергии квантования молекул аммиака соединены с усилителями. Технический результат изобретения: расширение рабочих частот мазера и упрощение его конструкции. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к квантовой радиофизике, а именно к мазерам, работающим в режиме генератора.

Известен резонаторный мазер с проходным резонатором. Он состоит из входного устройства, выполненного в виде волновода, связанного с резонатором. Между резонатором и волноводом для предотвращения обратного излучения вставлен ферритовый изолятор. После резонатора усиленная энергия подается на выходной волновод также через ферритовый изолятор [1]. Устройство работает на газообразном рабочем теле. Недостатком данного устройства мазера является невозможность отбора различных квантовых состояний молекул, присущих данному газу.

Известно также устройство квантового усиления - мазер на пучке молекул аммиака, которое является наиболее близким техническим решением к изобретению [2]. Мазер на пучке аммиака устроен следующим образом. Внутри сосуда, из которого предварительно откачан воздух, помещены источник молекулярного пучка, сортирующая система и колебательный контур (резонатор). Источником пучка служит небольшая камера, закрытая решеткой. В этой камере поддерживается давление 0,1 мм рт.ст. Для большей направленности молекулярного пучка после его источника ставится охлаждаемая жидким азотом диафрагма с круглым отверстием диаметром 5 мм. Сортирующей системой молекул аммиака служит цилиндрический квадрупольный конденсатор, через который молекулярный пучок возбужденных молекул попадает в объемный резонатор. В связи с тем, что усилитель на пучке аммиака имеет узкую полосу пропускания (порядка 100 кГц), а перестройка по частоте затруднена, области применения такого устройства ограничены функцией стандарта частоты. Так как процесс усиления происходит на частоте 23870 МГц, то это связано с большими трудностями процесса усиления.

Задачей изобретения является создание устройства в широком диапазоне квантовых переходов вращательных уровней молекул, а также задачей изобретения является создание устройства, в котором для усиления используется энергия вращательных переходов относительно оси симметрии молекулы, частотный диапазон которых на три порядка ниже частотного диапазона по прототипу на инверсионных переходах, что дает преимущество в выигрыше коэффициента усиления энергии квантовых переходов вращательного спектра по оси симметрии молекулы NН₃. При этом используется кооперативное возбуждение молекул, дающее максимальный коэффициент усиления. Данное устройство работает на температурах, не требующих специальных условий замораживания, что упрощает его конструкцию.

Поставленная цель достигается тем, что мазер на газообразном аммиаке, содержащий резервуар для сбора газообразного аммиака с нагнетающим элементом, охладитель, резонатор, диафрагму, по крайней мере один элемент отбора энергии и откачивающий насос, снабжен антеннами и разрядником, соединенным с резервуаром, а резонатор выполнен в разрезе в виде ступенчатого усеченного конуса с маленькой и большой стенкой с двух сторон, внутри которого по периметру внутренней стенки резонатора установлена диафрагма с зазором и установлен по оси стержневой нагреватель с датчиком температуры, причем резонатор со стороны меньшей стенки соединен с резервуаром при помощи трубопровода, в который встроены последовательно нагнетающий элемент в виде насоса и охладитель, и со стороны большой стенки соединен с резервуаром посредством трубопровода, в который встроен откачивающий насос, образуя замкнутую систему, элементы отбора энергии встроены в большую стенку резонатора и их количество соответствует числу ступеней резонатора, а каждый из них соединен через высокочувствительный усилитель сигнала с антеннами. Мазер снабжен устройством управления с переключателями, каждый из которых соединен одним концом с усилителем, а другим с антенной. Разрядник выполнен электрическим либо в виде источника гамма-излучения или является источником ускорителя частиц.

Значение температур, при которых возможно квантование, определяется выполнением условия квантования hν = КТ (1), где h - постоянная Планка; К - постоянная Больцмана; Т - температура в градусах Кельвина; ν - частота квантового перехода, Гц, при этом ν = 2B (J+1), (2), где В - вращательная постоянная в см^-1; J - квантовое число, характеризующее квантовые переходы относительно оси, перпендикулярной оси симметрии молекулы типа симметричного волчка и линейных молекул. Значение J соответствует целочисленным значениям (J = 0, 1, 2, 3, 4, ..., n). При различных значениях J значения температур квантования, вычисленные из соотношений (1) и (2), по формуле Т = h•2B(J+1)/K (3) представляют ряд эквидистантных значений. Например, для аммиака NH₃ эквидистантность будет соответствовать 28^oС и условия квантования по оси, перпендикулярной оси симметрии, будут иметь значения, например, для J₉= +13^oС, для J₁₀=+41^oС.

Условие выполнения равенства (1) является необходимым, но не достаточным условием, при котором должно произойти квантование. Дополнительным условием является наличие вынуждающего колебания (частоты электромагнитного излучения), равного энергии для перехода на другой квантовый уровень. При этом, в случае генерации, энергия квантового состояния, на который необходимо перейти, будет равна сумме Е₂ = E₁+ΔЕ, (4), где Е₂ - энергия квантового состояния, с которого необходимо перейти; Е₁ - энергия квантового состояния, на который необходимо перейти; ΔЕ - аддитивная величина энергии, необходимая для возбуждения квантового состояния e₂ (квант излученной энергии).

Равенство (4) может быть осуществлено двумя способами: 1. Зная разность энергий Е₂-Е₁, осуществляют вынужденные колебания посредством воздействия частотой, соответствующей энергии Е₁. 2. Зная значение E₁, вынужденными колебаниями, соответствующими значению энергии ΔЕ, осуществляют равенство (4). Выполнение соотношения (4) будет означать согласованное состояние для квантового процесса. Значение квантовых состояний Е₂ и Е₁ принадлежит вращательному спектру независимой степени свободы при вращении относительно оси, перпендикулярной оси симметрии молекулы NH₃. Значение ΔЕ принадлежит вращательному спектру независимой степени свободы вращения молекулы NH₃ вокруг оси симметрии.

В данном изобретении для осуществления квантового перехода используются вынуждающие колебания, реализующие значение энергии ΔЕ. Эти вынуждающие колебания формируются резонатором, имеющим нулевые колебания, соответствующие значениям частот квантовых переходов по оси вращения относительно оси симметрии.

Изобретение поясняется чертежом, где изображена блок-схема мазера.

Мазер представляет собой замкнутую систему (контур) циркулирования газообразного аммиака. Система включает резервуар 1 для сбора газообразного аммиака емкостью 20 л. Он служит для изменения квантовых состояний молекул посредством воздействия, например электрического разрядника 2. Резервуар через трубопровод 3 соединен с нагнетающим насосом 4, служащим для прокачки молекул газа. Система включает охладитель 5 до температуры диссоциации молекул газа. Охладитель через трубопровод 6 связан с резонатором 7. Резонатор в разрезе выполнен в виде ступенчатого усеченного конуса с меньшей стенкой 8 при его вершине и большей стенкой 9 при его основании. Резонатор выполнен из металла или керамики, устойчивых к агрессивной среде - аммиаку. Внутри него по внутреннему периметру установлена с зазором диафрагма 10, выполненная в виде сетки с отверстиями 0,5 мм. Диафрагма служит для направления потока и понижения температуры в объеме резонатора при истечении газа через малое отверстие. Вдоль оси резонатора, по центру установлен нагреватель 11, служащий для создания температуры выше температуры диссоциации квантового значения J. На нагревателе имеется датчик температуры 12, связанный с индикатором 13 нагревателя. В большую стенку герметично встроен трубопровод 14, соединенный с откачивающим насосом 15, который служит для удаления отработанного газа из объема резонатора в резервуар. В стенку 9 также встроены элементы отбора 16 энергии по количеству, соответствующему числу ступеней резонатора. Каждый элемент отбора 16 соединен с высокочувствительным усилителем 17, настроенным на резонансную частоту выбранного квантового перехода. Так, при выборе уровня диссоциации J= 10 частота квантового перехода J₁₀K₁₀-->J₉K₉ будет равна 1126,74 МГц, и исходя из условия кратности полуволн в объеме резонатора диаметр резонатора при этом будет равен 0,1331274 м. В дальнейшем усиленные сигналы могут использоваться для выхода на антенны 18 через переключатели 19 с помощью устройства управления 20 и выполнять функцию высокостабильного квантового генератора.

Мазер работает следующим образом. Предварительно откачивают из замкнутой системы мазера воздух и затем производят закачку аммиака во всю систему до давления 2 атм. Включают нагреватель и по индикатору с помощью датчика температуры устанавливают температуру выбранного уровня диссоциации аммиака. Включают разрядник 2. При этом находящийся в резервуаре 1 газообразный аммиак подвергается непрерывному воздействию электромагнитного излучения широкого спектра частот в течение всей работы мазера. Необходимость использования разрядника связана с созданием неравновесных квантовых состояний. Затем включается нагнетающий насос 4, газообразный аммиак по трубопроводу 3 закачивается в охладитель 5, по трубопроводу 6 подается в зазор между диафрагмой и корпусом резонатора. Истекая через отверстия диафрагмы газ, попадает в зону нагретого газа стержневого нагревателя. При смешивании холодного и горячего потоков газообразного аммиака создаются условия многократной реализации условия квантования hν = КТ. При этом непрерывная цикличность процесса квантования создается за счет поддержания температуры нагревателя на несколько градусов выше температуры диссоциации. Аммиак, охлаждаясь, всегда будет проходить через значение температуры, соответствующее условию квантования hν = КТ.

Энергия возбужденных квантовых переходов с помощью элементов отбора 16 передается на высокочувствительные усилители. Каждый элемент отбора осуществляет отбор энергии в той части резонатора, диаметр которого соответствует частоте квантового перехода выбранного J. Далее энергия может передаваться на антенны через переключатели, связанные с устройством управления. Отработанные молекулы газообразного аммиака через трубопровод 14 откачиваются из резонатора и откачивающим насосом 15 закачиваются в резервуар 1. В режиме замкнутого цикла мазер работает непрерывно.

Использование мазера на газообразном аммиаке по изобретению дает возможность производить усиление энергии вращательных переходов аммиака относительно оси симметрии молекулы на частотах на 2-3 порядка меньших, чем на инверсионных переходах. Мазер на аммиаке проще в техническом исполнении, так как не требует в сравнении с известными мазерами охлаждения до низких температур.

Устройство может быть использовано в качестве генератора в физике, медицине и химии.

Источники информации
1. Степин Л. Д. Курс лекций по квантовой радиофизике. - Харьков, 1963, стр.89-91.

2. Никольский И.А. Массовая радиобиблиотека. Вып. 532 "Квантовые усилители". - М.: Энергия, 1964, стр.14-17 - прототип.

Формула изобретения

1. Мазер на газообразном аммиаке, содержащий резервуар для сбора газообразного аммиака с нагнетающим элементом, охладитель, резонатор, диафрагму, по крайней мере один элемент отбора энергии и откачивающий насос, отличающийся тем, что он снабжен антеннами и разрядником, соединенным с резервуаром, а резонатор выполнен в разрезе в виде ступенчатого усеченного конуса с маленькой и большой стенкой с двух сторон, внутри которого установлена диафрагма по периметру с зазором и установлен по оси стержневой нагреватель с датчиком температуры, причем резонатор со стороны меньшей стенки соединен с резервуаром при помощи трубопровода, в который встроен последовательно нагнетающий элемент в виде насоса и охладитель, а со стороны большой стенки соединен с резервуаром посредством трубопровода, в который встроен откачивающий насос, образуя замкнутую систему, элементы отбора энергии встроены в большую стенку резонатора, и их количество соответствует числу ступеней резонатора, а каждый из них соединен через высокочувствительный усилитель сигнала с антеннами.

2. Мазер по п.1, отличающийся тем, что он снабжен устройством управления с переключателями, каждый из которых соединен одним концом с усилителем, а другим с антенной.

3. Мазер по п.1 или 2, отличающийся тем, что разрядник выполнен электрическим, или в виде источника гамма-излучения, или является источником ускорителя частиц.

РИСУНКИ

Рисунок 1