книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

тиметрового диапазона, имевший коэффициент шума 30 дб. Читателя, интересующегося подробностями этих экспе­ риментов, мы отсылаем к работе [6].

Важным фактором при выборе источника энергии СВЧ для мощной системы является его долговечность в эксплуа­ тации. Так как пока изготавливались только эксперимен­ тальные плазмеппо-лучевые усилители, данных по сроку службы этих приборов пет. То обстоятельство, что для получения плазмы катоду прибора, возможно, придется работать при давлениях газа 10"4 мм ргп. ст. и выше, означает, что катод будет подвергаться более тяжелой ионной бомбардировке, чем в обычных усилителях СВЧ. Но если удастся использовать преимущества плазмен­ ного усиления, плотность тока катода можно будет зна­ чительно уменьшить и компенсировать в какой-то степе­ ни вредное действие ионной бомбардировки.

VII. Краткие выводы

В этом разделе мы показали, как можно получить энергию СВЧ в результате взамодействня плазмы с элек­ тронным пучком, не используя сложных ВЧ-структур из металла, характерных для ЛБВ и клистронов. Было отмечено также, что без какого-либо решения проблемы устройств связи не удастся полностью извлечь выгоды, которые потенциально имеются в механизме плазменнолучевого взаимодействия. Применение резонаторов или спиралей в качестве устройств связи ограничивает воз­ можности прибора, но даже при этих ограничениях реали­ зуются большие усиления при малой длине пространства взаимодействия; кроме того, для работы прибора не тре­ буется магнитного поля. Время покажет, найдут ли плаз­ менно-лучевые усилители практическое применение в мощных системах СВЧ.

О б о з н а ч е н и я

№а>••• .Следовательно, если такая система находится на своем основном уровне \У1г она может поглощать энер­ гию (с последующим излучением или без него) только дискретными порциями

Если источником поглощаемой энергии служит поле излучения, т. е. если переход системы из энергетического состояния и?! в состояние №п является излучательным, то данное поле должно содержать частотные компонен­ ты, близкие к \>л1, где, согласно постулату^Бора,

Обратно, если в такой системе происходит излучатель­

В общем случае изолированный атом, ион или моле­ кула будут иметь четко выраженный спектр энергетиче­ ских уровней, зависящий только от свойств данной свя­ занной системы. Схематически такой спектр можно пред­ ставить так, как показано на фиг. 1, а. Спектр изолиро­ ванной системы можно определенным образом изменить, подвергая ее внешним воздействиям электрического поля (эффект Штарка) или магнитного поля (эффект Зеемана). В результате такого воздействия энергетический спектр возмущается, как показано схематически на фиг. 1, б. Структура спектра зависит при этом не только от свойств атома, но и от величины и формы возбуждающего поля. На фиг. 1, б схематически показаны два эффекта возму­ щения: простое повышение или понижение уровнями рас­ щепление энергетического уровня. Расщепление уровня происходит по следующей причине. В отдельном" изоли­ рованном атоме несколько внутренних состояний могут характеризоваться в точности совпадающей энергией. Тогда эти состояния неразличимы друг от друга и'на энер­ гетической диаграмме их представляют одним и тем же уровнем, который называют вырожденным. Но когда ^тот атом помещают в электрическое или магнитное поле*

возмущение приводит к тому, что состояния, ранее ха­ рактеризующиеся одинаковой энергией, теперь обладают различной энергией, а первоначально вырожденный уро­ вень расщепляется. Если же энергетический уровень был невырожденным или если возмущение не уменьшает чис­ ла вырожденных уровней, то после возмущения этот энер­ гетический уровень на энергетической диаграмме занимает просто более высокое или более низкое положение.

До сих пор мы рассматривали энергетический спектр изолированного атома (иона) или изолированного атома, возмущенного внешними электрическим или магнитным полем. Рассмотрим теперь энергетическое распределение ансамбля атомов или ионов. Обычно мы рассматривали такие ансамбли в состоянии термодинамического равно­ весия (при некоторой температуре Т) или в близком к нему состоянии. Мы предположим, что этот ансамбль всегда имеет настолько малую плотность, что взаимодействия между атомами или ионами в этой системе достаточно слабые, т. в. ни один из ио*нов сильно не возмущается

остальными частицами системы. Тогда все атомы или ионы можно описать одной схемой уровней энергии и имеет смысл поставить вопрос, каково распределение атомов или ионов по энергетическим уровням этого ансамбля, находящегося при температуре Т Для всех случаев, которые представляют интерес в данном изложении, это распределение описывается формулой Больцмана

"ех р (-^,„//еГ )’

/7 1

где Ып — населенность уровня с энергией №я, §п — вырожденность (статистический вес) я-го уровня, т. е. число энергетических состояний с энергией 1^я, N — полное чис­ ло атомов или ионов в ансамбле и к — постоянная Больц­ мана (к = 1,38-10" 23 дж/град).

Б. Излучательные процессы, в которых участвуют отдельные атомы или ионы. Прежде чем перейти к описа­ нию излучательных взаимодействий в ансамблях, со­ стоящих из связанных электронов, рассмотрим процессы, в которых участвует только один атом или ион. Пусть изолированный атом обладает энергией, превышающей его основной уровень. Общее свойство таких атомных си­ стем состоит в том, что их энергия уменьшается путем излучения. Это означает, что любой изолированный атом или ион, энергия которого превышает основной уровень, будет спонтанно излучать. Такой процесс излучения описывается с помощью коэффициентов спонтанного излу­ чения Апт, где п — исходный уровень, а т — некоторый конечный уровень, при котором №т < \Рп. Полный коэф­ фициент спонтанного излучения для я-го уровня можно записать в виде

/71= 1

Излучательный процесс по существу является стати­ стическим, а коэффициент Апт — это изменение вероят­ ности нахождения атомной или ионной системы на уров­ не я (за 1 сек) вследствие спонтанного перехода с уровня я на заданный более низкий уровень т . Этот переход со­

но для вынужденного излучения или поглощения соответ­ ственно получим

Здесь с — скорость света, м/сек, а I имеет размерность вт/м2-стерад. Наконец, если рассмотреть анизотропное поле излучения, вероятность перехода можно определить следующим образом. Для спонтанного излучения, как и прежде,

Рп т —А п 1 л ш

а для вынужденного излучения или поглощения

вектора г.

В. Уширение спектральной линии. Исходя из вышеиз­ ложенного, можно было бы подумать, что энергетические уровни имеют бесконечно малую ширину и что ширина спектральной линии излучения также будет исчезающе малой. Поскольку это не соответствует действительности, рассмотрим вкратце механизмы, определяющие существо­ вание уровней энергии и, следовательно, уширение спек­ тральных линий излучения и поглощения. Можно разли­ чать два вида уширения спектральной линии: однородное и неоднородное. Однородное уширение непосредственно связано с соотношением неопределенностей Гейзенберга, примененным к отдельному атому или иону:

АЕЫ^Н/2*. (16)

Это соотношение можно интерпретировать следующим образом. Ни один энергетический уровень атомной или ионной системы нельзя определить с точностью выше Н/2п&1, где Л* — время наблюдения данной системы.