Охлаждение мазеров и их параметры

Усиление в твердотельных мазерах можно получить при глубоком охлаждении кристалла до температуры жидкого гелия (1,2…4 К). Причины, но которым приходится это делать, связаны со спецификой больцмановского распределения применительно к СВЧ-диапазону частот, когда энергия кванта электромагнитной волны на частоте сигнала и накачки много меньше тепловой энергии колебаний атомов и ионов вплоть до криогенных температур, т. е. Л/_свч

При больцмановском распределении отношение населенностей нижнего и верхнего уровней равно.

При Л/ <�ЗС кТ разность населенностей крайне мала; так, при Т ~ 300 К (п₁ — п^/п_{ составляет всего лишь 10^-4, поэтому для получения заметной разности населенностей необходимо охладить спиновую систему (парамагнитный возбужденный кристалл) до гелиевых температур, хотя возможность усиления существует и при температуре жидкого азота (77 К) и даже сухого льда (195 К). На практике весь резонатор или всю волноводную систему погружают в жидкий хладоагент, содержащийся обычно в хорошо изолированных сосудах Дьюара с двойными стенками. Для жидкого гелия применяются двойные сосуды, в которых внутренний сосуд с гелием помещают во внешний с азотом. Необходимость охлаждения мазеров является их существенным недостатком.

Однако наличие низкой температуры имеет и положительную сторону, связанную с крайне низким уровнем шумов, который для мазеров обычно оценивают не коэффициентом шумов, а эквивалентной избыточной входной шумовой температурой усилителя Т_экв (см. п. 22.3). Как показывают расчеты, шумовая температура связана с коэффициентом шума ^ соотношением, вытекающим из формулы (22.8):

где Т₀ — шумовая температура генератора (источника сигнала).

Обычно Т₀ принимается равной температуре окружающей среды при нормальных условиях, т. е. Т_{) ~ 290 К.

Эквивалентная шумовая температура усилителя Т_лкв имеет тот же порядок величины, что и его рабочая температура, т. е. составляет около 4 К, тогда коэффициент шума составляет ^ ~ 1,01, т. е. шум-фактор равен нескольким сотым дБ. В реальных системах полные шумовые характеристики усилителя всегда определяются не шумами усилителя, а омическими потерями и шумами во входных линиях, потерями в антенне и т. д.

Во всех реальных случаях шумы самого усилителя оказываются пренебрежимо малыми. Следует отметить, что тепловые шумы квантовой системы тесно связаны со спонтанным излучением, которое для спиновых систем в СВЧ-диапазоне играет существенно меньшую роль, чем для переходов, соответствующих оптическому диапазону (см. гл. 19, 20). Однако это основной физический процесс, который в конечном счете обусловливает собственные тепловые шумы квантовых усилителей.

Мазеры как усилители со сверхнизким уровнем шума целесообразно использовать только в случаях, когда остальные шумы в системе, и в том числе шумовой фон источника излучения, достаточно малы. Поэтому реализация очень малых потерь в волноводах, циркуляторах, вращающихся сочленениях и других элементах становится определяющей при создании радиосистем. Помимо этого, при конструировании квантового приемника приходится учитывать не только ширину диаграммы и коэффициент направленности излучения, но также боковые и задние лепестки, поскольку через них может поступать на вход тепловое (шумовое) излучение окружающих предметов, хотя главный луч и будет направлен на источник излучения холодного неба.

Современные КПУ работают, начиная с дециметрового и вплоть до миллиметрового диапазона длин волн, имеют усиление 20… …40 дБ, полосу пропускания до 20 МГц (многорезонаторные усилители) и до 40 МГц (усилители с бегущей волной). КПУ имеют малый динамический диапазон: насыщение в резонаторных усилителях наступает при мощности входных сигналов 10^_9…10^_1° Вт, а в усилителях бегущей волны — при мощности 10 ⁷ Вт, время восстановления порядка 0,01…0,1 с. Последние два фактора можно отнести к существенным недостаткам рассматриваемых усилителей.

КПУ нашли применение в первую очередь в системах исследования космического пространства, для управления и связи с искусственными спутниками Земли и другими летательными аппаратами, в системах ПРО для обнаружения баллистических ракет, в РЛС дальнего обнаружения и других областях науки и техники.