IPhoneBox

Физика: теория и практика

Квантовые парамагнитные усилители

Работа квантовых парамагнитных усилителей (КПУ) основа на усилении слабых СВЧ-сигналов вынужденным излучением вызванным электронными переходами между энергетическим л уровнями парамагнитных ионов в диэлектриках, расщепленными внешними или внутренними полями. Как правило, используются квантовые переходы между зеемановскими подуровнями пара магнитных ионов в кристаллах во внешнем магнитном поле.

Напомним, что под действием внешнего магнитного полы происходит квантование магнитного момента атома, в результате чего каждый из уровней с определенным квантовым числом расщепляется на подуровней с разными значениями проекции на направление поля: магнитное поле расщепляет вырожденные по квантовому числу М, уровни.

В отличие от изолированных атомов в кристаллах типа и т. п. орбитальные и спиновые моменты отдельных атомов связаны и взаимно компенсируют друг друга, вследствие чего такие кристаллы являются диамагнетиками. Если в эти кристаллы ввести ионы с незаполненными внутренними оболочками (элементы группы железа: Решили редкоземельные элементы - лантаноиды), то появятся некомпенсированные магнитные моменты (некомпенсированные спины) и кристаллы становятся парамагнетиками.

Именно такие кристаллы используются в качестве активных элементов КПУ. Рабочие переходы осуществляются между зеемановскими подуровнями парамагнитного иона-активатора. Кристаллическая основа, выполняя роль матрицы, со своей стороны влияет как на энергетический спектр иона-активатора, так и на процессы обмена энергией (релаксационные процессы).

Это естественно, поскольку активный ион находится под воздействием сильного внутрикристаллического поля. Это воздействие тем больше, чем слабее экранированы внешними электронами внутренние незаполненные оболочки, внутри которых собственно и происходят рабочие переходы. Накачка, обеспечивающая инверсную населенность между рабочими уровнями КПУ, осуществляется вспомогательным СВЧ-излучением.

Поэтому по двухуровневой схеме, как это было в случае пучковых мазеров, прибор работать не может. Как правило, работа происходит по трехуровневой схеме первого или второго типов. В качестве примера активного диэлектрика КПУ рассмотрим рубин, представляющий собой кристалл окиси алюминия, в котором часть атомов алюминия изоморфно замещена атомами хрома. Чистые бесцветные кристаллы, называемые а-корундом и иногда не совсем точно сапфиром, обладают кубической симметрией.

Каждый ион алюминия находится в окружении шести ионов кислорода, образующих октаэдр. Окружение иона кислорода составляют четыре иона алюминия, которые образуют тетраэдр. Корунд - бесцветный кристалл, прозрачный в оптической области от 0,17 до 6,5 мкм и в СВЧ-диапазоне. Без легирующих примесей он обладает диамагнитными свойствами. Радиус иона хрома (0,065 нм) больше радиуса иона алюминия (0,057 нм).
Читать статью

Конструкции и типы диодов

Основными деталями каждого диода являются: баллон, из которого удален воздух; накаленный катод, излучающий электроны; анод, являющийся приемником этих электронов. В зависимости от назначения и требований, предъявляемых к лампе, могут меняться конструкции и размеры каждой отдельной детали.

Основным требованием, предъявляемым к диоду независимо от схемы, в которой он работает, является получение возможно более крутой характеристики, так как при этом его внутреннее сопротивление оказывается наименьшим и становится наименьшей теряемая в нем мощность. Из формулы крутизны: видно, что для получения большой крутизны необходимо увеличивать действующую поверхность анода и уменьшать, расстояние от катода до анода и величину. Обычно для увеличения крутизны уменьшают отношение, увеличивая Гу и уменьшая ха.

При этом большие преимущества представляют подогревные катоды, которые уже в силу своей конструкции имеют больший радиус rf, что дает возможность легче выбрать подходящие размеры анода для рассеяния выделяющейся на нем мощности. Плоская конструкция электродов имеет некоторые преимущества перед цилиндрической, так как, применяя ряд параллельно включенных нитей или используя одну длинную, зигзагообразной формы нить, можно сильно увеличить действующую (поверхность анода).

При этом расстояние между анодом и катодом можно принять достаточно малым, не уменьшая поверхности анода. Однако, здесь имеется свой недостаток, таи; как при малом расстоянии ха велико выделение тепла в участках анода, близких к катоду, что может вызвать перегрузку этих участков анода сверх допустимой. Кроме того, чрезмерное уменьшение расстояния опасно виду возможности пробоя между, электродами при высоких напряжениях.

В лампах малой и средней мощности анод рассеивает сравнительно небольшую мощность, поэтому можно допустить охлаждение анода исключительно за счет излучения, проходящего через стенки баллона. Аноды в лампах малой мощности (до 20 W, выделяемых на аноде) делаются основном из блестящего или черненого никеля; в лампах средней мощности (от 20 до 3 000 W) из молибденовой жести или из тантала.

Чтобы при тех же размерах анода повысить рассеиваемую мощность, аноды часто делают ребристыми, устраивая "посредством изгибания анода или приварки к его поверхности -металлические охлаждающие ребра, как, например, в диоде 5ВХ1 (5Ц4С). В мощных лампах, где рассеиваемая анодом мощность слишком велика (больше 5 kW), охлаждение анода только за счет излучения оказывается недостаточным. Чтобы уменьшить нагревание анода, применяется внешнее принудительное охлаждение. В таких лампах анод выполняется часто в виде полого цилиндра из красной меди, обладающей большой теплопроводностью.
Читать дальше...

Строение двойного слоя

Представления о ДС, использованные в теориях электрокинетнческих явлений Гельмгольца и Смолухов-ского, носили формальный характер, они только отражали сам факт перераспределения зарядов между контактирующими фазами, не вскрывая механизма этого явления, и ничего не говорили о пространственном распределении зарядов в ДС. После того, как были установлены возможные механизмы формирования поверхностного заряда, возник вопрос о пространственном распределении компенсирующего слоя ионов.

Если в формировании поверхностного заряда существенную роль играет специфика поверхности, проявляющаяся либо в наличии ионогеиных групп, либо в специфичности адсорбции ионов, то механизм формирования компенсирующего слоя ионов осуществляется за счет сил электростатического притяжения к поверхностному заряду, т. е. носит общий, физический характер. Поэтому Гуи и независимо от него Чепмен сформулировали этот вопрос как чисто теоретическую задачу: задан поверхностный заряд, требуется найти пространственное распределение протпвоионов.

Их заслуга состояла в том, что они учли важную роль теплового движения в этом явлении и успешно применили аппарат статистической физики. Теория Гуи Чепмена является одновременно лрообразом теории электролитов Дебая Гюккеля, которая, однако, была развита десятилетием позже. В отличие от потенциалопределяющих ионов, для которых характерно сильное специфическое взаимодействие с поверхностью, противоионы даже при сближении с поверхностью взаимодействуют с ней обычно только электростатически.

Поскольку они часто сольватированы, расстояние их наибольшего сближения с поверхностью весьма значительно, так что "энергия их электростатическою взаимодействия с поверхностью не может существенно превышать энергию теплового движения КТ. Это указывает на несостоятельность первоначальной модели двойного слоя Гельмгольца Перрена 191, согласно которой он подобен плоскому конденсатору, причем не только внутренняя, поверхностная его обкладка, но и внешняя представлена монослоем ионов. Если энергия ионов в поле притяжения поверхностного заряда порядка КТ, тепловое движение должно сделать этот слой диффузным.

Таким образом, пространственное распределение противоионов определяется тем, что они находятся в состоянии теплового движения и одновременно притягиваются к поверхностному заряд),в результате чего образуют диффузную атмосферу определенной протяженности, толщина которой при низких концентрациях электролита может быть весьма значительной. Напряженность электрического поля в двойном слое должна монотонно убыга;ь при удалении от заряженной поверхности, поскольку ее заряд экранируется зарядом противоиенов, размещенных в слое между данной точкой и поверхностью, причем эта экранировка тем полнее, чем больше расстояние от выделенной точки до поверхности.
Читать дальше...