Lobogó, 1962. január-június (4. évfolyam, 1-26. szám)
1962-02-21 / 8. szám
PARAMÁGNESES ERŐSÍTŐK (SZILÁRD MALEREK) Két héttel ezelőtti számunkban a modern elektronika egyik gyorsan fejlődő és igen érdekes területére vezettük el az olvasót. Röviden ismertettük a molekuláris erősítők és generátorok működésének általános elveit, s a fejlődés első fázisában kidolgozott ún. gázos maserek felépítését, tulajdonságait. Láttuk, hogy az ilyen erősítők nagy hátránya az igen keskeny frekvenciasáv. Ha ki akarjuk küszöbölni a keskenysávú tulajdonságot, ki kell küszöbölnünk az okokat. Már említettük, hogy az egyes molekuláknak szigorúan meghatározott energianívóik vannak. Ennélfogva, az általuk emittálható frekvenciák is meghatározott, diszkrét értékek. A gázos generátorban mindegyik molekula úgy sugároz, mintha a többi molekula ott sem lenne. (A molekulák ugyanis nincsenek kölcsönhatásban egymással.) Ezért az egész rendszer sávszélessége is kicsi. Ha ellenben a molekulák között intenzív kölcsönhatás van, akkor az energianívóik eltolódnak és az igen keskeny nívók helyét „szélként” nívókból álló sávok foglalják el. Egy ilyen molekuláris rendszer a reá eső elektromágneses sugárzásból már nem csupán egy meghatározott frekvenciát, hanem egy egész frekvenciasávot abszorbeál. Rádiótechnikai kifejezéssel élve, egy ilyen molekuláris rendszernek lényegesen kisebb a jósága, mint az egyes molekuláknak. A molekulák közötti kölcsönhatás a szilárd testek belsejében a legerősebb. Itt azonban az alsó nívón levő molekuláknak a mechanikai szortírozása és elkülönítése nem látszik megoldhatónak. Ezért más módszert kell keresnünk, amellyel a szilárd testek is „aktív’’ állapotba hozhatók. . Ezt a problémát az ún. paramágneses anyagok felhasználásával sikerült megoldani, amelyekben az energianívók külső mágneses tér hatására válnak szét. A szomszédos energianívók közötti különbség, tehát a kisugárzott frekvencia is, a mágneses tér erősségével arányos. Ha változtatjuk a mágneses teret, könnyen át tudunk térni az erősítővel az egyik frekvenciáról a másikra. • Az ily módon elkészített erősítő tehát nemcsak kis zajú és nagy sávszélességű, de könnyen angolható is. Az „aktív” anyag előállításának ezt a módszerét a szovjet Baszov és Prohorov ajánlotta 1955-ben. (A molekuláris erősítők és generátorok területén elért eredményeikért 1959-ben iLenin-díjat kaptak.) Eljárásuk három energianívó egyidejű felhasználásán alapul. Egy három energiaiméból álló rendszer. a) Egyensúlyi állapotban (külső tér nélkül) az alsó energianívón van a legtöbb molekula, a középsőn már kevesebb, a felsőn pedig a legkevesebb. (N a molekulák száma az egyes energianívókon.) Ilyen állapotban a rendszer erősítése képtelen. b) Elegendő nagy teljesítményű és kis frekvenciájú segédtér bekapcsolása után az alsó és a felső nívón tartózkodó molekulák száma kb. egyenlővé válik, ugyanakkor a felső nívón már több molekula van, mint a középsőn. Ilyen állapotban a rendszer a reá eső f73 frekvenciájú gyenge jelet erősíteni képes Rajzoljunk fel egy ilyen rendszert és legyen mindegyik nívó hossza a rajta található molekulák számával arányos. Termikus egyensúlyi állapotban (a. ábra) az alsó nívón a legtöbb a molekula, s felfelé a számuk egyre csökken. Egy ilyen rendszer a reá eső elektromágneses hullámot csak elnyelni képes. Ha a beeső hullám fő frekvenciája a 3 és az 1 energianívók különbségével arányos, azaz hfi3 · E3—E 1 (ha Planck — állandó), akkor e hullám energiáját a rendszerünk elnyeli, s ennek révén az 1 nívóról molekulák mehetnek fel a 3 nívóra. Ilyen módon, mint mondani szokás, molekulákat lehet a 3 nívóra „felpumpálni". Elegendően nagy intenzitású elektromágneses hullámmal elérhetjük, hogy az 1 és a 3 nívón közel azonos számú molekula legyen. Ennek eredményeként létrejöhet olyan helyzet (b. ábra), hogy a magasabb 3 nívón több molekula van, mint az alacsonyabb, de eddig érintetlenül hagyott középső 2 nívón. Ez a rendszernek nem egy természetes, hanem csupán mesterségesen fenntartható, ún. negatív hőmérsékletű állapota. Ebből az állapotából a rendszer a többlet-energia leadásával szabadulni igyekszik. Ha fish (Eg—Eu)/h frekvenciájú elektromágneses hullámmal kerül kölcsönhatásba, akkor a 3 nívón tartózkodó molekulák egy része a 2 nívóra megy át, és leadott energiájával a külső elektromágneses rezgéseket erősíti. Tehát az f23 frekvencia szempontjából a rendszer „aktív”. Amennyiben gondoskodunk arról, hogy az f 13 frekvencián folyamatos abszorbció menjen végbe, akkor az it. „je!”-frekvencián állandó erősítést kapunk. •Tisztán kell látnunk, hogy a “ hasznos jel erősítésében a 3 nívónak nem minden molekulája vesz részt, hanem csak az a többlet, amely a 2 nívó molekuláihoz képest mutatkozik. Ez a többlet a 3 nívó összes molekulájához képest nem nagy, de az erősítéshez mégis elegendő, mert szilárd testekben sokkal nagyobb a molekulák sűrűsége, mint a gázos maserek sugarában. A paramágneses erősítő működésének feltétele az alacsony hőmérséklet Erre nemcsak azért van szükség, hogy egyensúlyi állapotban (külső tér nélkül), minél jobban különbözzenek az egyes nívókon levő molekulák számai, s így bekapcsoláskor minél nagyobb legyen az .Aktív a molekulák száma, hanem azért is, mert a hőmérséklettel csökkenteni lehet a kristályrács termikus rezgéseit. Márpedig ezek a rezgések megnehezítik az „aktív" állapot elérését, az egyensúlyi állapotba igyekszenek visszajuttatni a molekulákat. A paramágneses erősítők az abszolút zéruspont közelében működnek. Ily módon erősen lecsökken a termikus zajuk is. Ezenkívül a molekulák kisebb energia-adagokat adnak le az erősítőben, mint pl. az elektronok egy elektroncsőben, s így az aktív molekulák számának a megváltozása is jóval, kb. 100- szor kisebb zajt (sörét-zajt) okoz. (Folytatás a 9. oldalon) Egy komplett paramágneses erősítő (rubin maser) külső képe, a segédberendezésekkel együtt. Alul középen látható az elektromágnes, amelynek a pólusai között folyékony héliummal töltött edényben tartják a rubin kristályt. Maga a rubin kristály a paramágneses anyag, amelyel a felek kölcsönhatásba kerülnek, s ennek eredményeként felerősödnek .