От лат cavitas пустота), образование в капельной жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (т н. кавитац пузырьков или каверн). Кавитац
| Вид материала | Документы |
- Вывихи. Переломы, 241.71kb.
- От лат evaporo испаряю и греч grapho пишу), метод получения изображений объектов, 2696.94kb.
- Реферат от лат rеfеrо "сообщаю", 198.27kb.
- Абсцесс и гангрена легкого определение заболевания острый абсцесс легкого, 403.26kb.
- Перелом подвздошной кости; перелом вертлужной впадины; перелом лобковой кости; открытая, 1124.91kb.
- Вишнев В. Н. Безродная Н. В. Остеохондроз Профилактика и лечение Введение, 623.65kb.
- Реферат от лат. «сообщать», 61.18kb.
- Лекция. Взаимосвязанные рынки, 285.49kb.
- Реферат Реферат, 36.91kb.
- Предыстория или как мне удалось получить музыкальное образование и чем это обернулось, 2157.21kb.
КВАНТОВЫЙ ГИРОСКОП, прибор для обнаружения вращения тела и определения его угл. скорости, основанный на свойствах эл-нов, ат. ядер и фотонов, поведение к-рых описывается законами квант. механики. Существует неск. типов К. г.
Лазерный (оптический) гироскоп. Датчиком служит кольцевой лазер, генерирующий две бегущие навстречу друг другу световые волны, к-рые распространяются по общему световому каналу в виде узких монохроматических световых пучков. Открытый резонатор лазера (рис. 1) состоит из трёх (или больше) зеркал, смонтированных на жёстком основании и образующих замкнутую систему. Часть света проходит через полупрозрачное зеркало и попадает на фотодетектор.
Рис. 1. Схема лазерного гироскопа: 1,2,4 — непрозрачные зеркала; 3 — полупрозрачное зеркало; 5 — фотодетектор.
Длина волны , генерируемая лазером, определяется условием, согласно к-рому бегущая волна, обойдя контур резонатора, должна прийти в исходную точку с той же фазой. Если прибор неподвижен, это условие будет выполнено, когда периметр контура P=n (n — целое число). В этом случае лазер генерирует две встречные волны, частоты к-рых одинаковы и равны:
0=nc/P.
Если же весь прибор вращается с угл. скоростью вокруг направления, составляющего угол с перпендикуляром к его плоскости, то за время обхода волной контура последний успеет повернуться на нек-рый угол (рис. 2). В зависимости от направления распространения волны, путь, проходимый ею до совмещения фазы, будет больше или меньше Р (см. Доплера эффект).
Рис. 2. Схематич. изображение лазерного гироскопа.
В результате этого частоты встречных волн становятся неодинаковыми. Эти частоты 1 и 2 не зависят от формы контура и связаны соотношением:
Здесь S — площадь, охватываемая контуром резонатора. Фотодетектор зарегистрирует биения с разностной частотой:
=+--=kFcos, (2)
где F=/2, a k=8S/0P. Напр., для квадратного гелий-неонового К. г. (см. Газовый лазер) со стороной 25 см =6•10-5 см, откуда k=2,5•106. При этом суточное вращение Земли, происходящее с угл. скоростью =15 град/ч, на широте =60° должно приводить к частоте биений =15 Гц. Если ось К. г. направить на Солнце, то, измеряя частоту биений и считая угл. скорость известной, можно с точностью до долей градуса определить широту места, на к-рой расположен К. г.
Предел чувствительности оптич. К. г. обусловлен спонтанным излучением атомов активной среды лазера. Если частоте биений =1 Гц соответствует угол поворота 1 град/ч, то предел точности К. г. равен 10-3 град/ч. В существующих оптич. К. г. этот предел не достигнут.
Ядерные гироскопы. В ядерных К. г. используются в-ва с ядерным парамагнетизмом (вода, органич. жидкости, газообразный гелий, пары ртути). Атомы или молекулы таких в-в в осн. состоянии обладают магн. моментами, обусловленными спинами
ядер. Если ориентировать магн. моменты ядер (см. Ориентированные ядра), напр. при помощи поля Н, а затем поле выключить, то при отсутствии др. магн. полей (напр., земного) возникший суммарный магн. момент М ядра будет нек-рое время сохранять своё направление в пр-ве, независимо от изменения ориентации датчика. Такой статич. К. г. позволяет определить изменение положения тела, жёстко связанного с датчиком. Т. к. величина момента М будет постепенно убывать благодаря релаксации, то для К. г. выбирают в-ва с большими временами релаксации, напр. нек-рые органич. жидкости, для к-рых время релаксации составляет неск. мин, жидкий 3Не (ок. 1 ч) или р-р жидкого 3Не (10—3%) в 4Не (ок. 1 года).
В К. г., работающем по методу яд. индукции, вращение с угл. скоростью
Рис. 3. Схематич. изображение яд. гироскопа: М — датчик: СПЭ — сверхпроводящий магн. экран.
датчика, содержащего ориентиров. ядра, эквивалентно действию на ядра магн. поля с напряжённостью Н=/я> где я—гиромагнитное отношение для ядер. Прецессия магн. моментов ядер вокруг поля Н приводит к появлению перем. эдс в катушке, охватывающей в-во К. г. (рис. 3). Измерение частоты вращения тела, связанного с датчиком К. г., сводится к измерению частоты электрич. сигнала, к-рая пропорц. (см. Ядерный магнитный резонанс), В динамич. яд. гироскопе суммарный яд. магн. момент М датчика прецессирует вокруг пост. магн. поля H, связанного с устройством. Вращение датчика вместе с полем Н0 с угл. скоростью приводит к изменению частоты прецессии М, приблизительно равному проекции вектора на Н. Это изменение регистрируется в виде электрич. сигнала. Для получения высокой чувствительности и точности в этих приборах требуется высокая стабильность и однородность поля Н. Напр., для обнаружения изменения частоты прецессии, вызванного суточным вращением Земли, необходимо,
чтобы H/H10-9. Для экранировки
прибора от действия внеш. магн. полей применяются сверхпроводники. Напр., если поворот датчика обусловлен суточным вращением Земли, то остаточное поле в экране не должно превышать 3•10-9Э.
Электронные К. г. аналогичны ядерным, в них используются парамагнетики (напр., устойчивые свободные радикалы, атомы щелочных металлов). Хотя времена релаксации электронных спинов малы, электронные К. г.
276
перспективны, т. к. гиромагнитное отношение для эл-нов эл в сотни раз больше я, и, следовательно, частота прецессии выше. По точности и чувствительности К. г. пока уступают лучшим образцам механич. гироскопов. Однако К. г. обладают рядом преимуществ: безынерционностью, стабильностью, возможностью работать при низких темп-рах.
• Померанцев Н. П., С к р о ц к и й Г. В., Физические основы квантовой гироскопии, там же, 1970, т. 100, в. 3, с. 361; Богданов А. Д., Гироскопы на лазерах, М., 1973; Применения лазеров, пер. с англ., М., 1974.
Г. В. Скроцкий.
КВАНТОВЫЙ ПЕРЕХОД, скачкообразный переход квант. системы (атома, молекулы, ат. ядра, тв. тела) из одного состояния в другое. Наиболее важными явл. К. п. между состояниями, соответствующими разл. значениям энергии системы, то есть К. п. с одного уровня энергии на другой.
Часть уровней энергии квант. системы: ξ1—осн. уровень (уровень с наименьшей возможной энергией), ξ2, ξ3, ξ4, возбужденные уровни. Стрелками показаны квант. переходы с поглощением (направление вверх) и с отдачей энергии (направление вниз).
При переходе с более высокого уровня энергии ξk на более низкий ξi- система отдаёт энергию ξk-ξi, при обратном переходе — получает её (рис.). К. п. могут быть излучательными и безызлучательными. При излучат. К. п. система испускает (переход ξkξi) или поглощает (переход ξiξk) квант. эл.-магн. излучения — фотон энергии h ( — частота излучения), удовлетворяющей фундам. соотношению:
ξk-ξi=h (*)
(к-рое выражает закон сохранения энергии при таком переходе). В зависимости от разности энергий состояний системы, между к-рыми происходит К. п., испускаются или поглощаются радиоволны, ИК, видимое, УФ, рентгеновское или -излучение. Совокупность излучат. К. п. с ниж. уровней энергии на верхние образует спектр поглощения данной квант. системы, совокупность обратных переходов — её спектр испускания. При безызлучат. К. п. система получает или отдаёт энергию при вз-ствии с др. системами. Напр., атомы или молекулы газа при столкновениях друг с другом или с эл-нами могут получать энергию (возбуждаться) или терять её. Важнейшая хар-ка любого К. п.— вероятность перехода, определяющая, как часто происходит данный К. п. Вероятность перехода измеряют числом переходов данного типа в рассматриваемой системе за ед.
времени (1 с); поэтому она может принимать любые значения от 0 до (в отличие от вероятности единичного события, к-рая не может превышать единицы). Вероятности переходов рассчитываются методами квант. механики.
Ниже рассмотрены К. п. в атомах и молекулах (о К. п. в тв. теле и ат. ядре см. в ст. Твёрдое тело и Ядро атомное).
Излучательные К. п. могут быть спонтанными, не зависящими от внеш. воздействий на квант. систему (спонтанное испускание фотона), и вынужденными, происходящими под действием внеш. эл.-магн. излучения резонансной [удовлетворяющей соотношению (*)] частоты v (поглощение и вынужденное испускание фотона). Из-за спонтанного испускания квант. система может находиться на возбуждённом уровне энергии ξк лишь нек-рое кон. время, а затем скачкообразно переходит на к.-н. более низкий уровень. Ср. продолжительность k пребывания системы на возбуждённом уровне ξk наз. временем жизни на уровне. Чем меньше k, тем больше вероятность перехода системы в состояние с низшей энергией. Величина 1/k, определяющая ср. число фотонов, испускаемых одной ч-цей (атомом, молекулой) в 1 с, наз. вероятностью спонтанного испускания с уровня ξk. Для вынужденного К. п. число переходов пропорц. плотности излучения резонансной частоты v, т. е. энергии фотонов частоты v, находящихся в 1 см3. Вероятности излучат. переходов различны для разных К. п. и зависят от св-в уровней энергии, между к-рыми происходит переход. Вероятности К. п. тем больше, чем сильнее изменяются при переходе электрич. и магн. св-ва квант. системы, характеризуемые её электрич. и магн. моментами. Возможность излучат. К. п. между уровнями с заданными хар-ками определяется отбора правилами (см. также Излучение).
Безызлучательные К. п. также характеризуются вероятностями соответствующих переходов — ср. числами процессов отдачи и получения энергии ξk-ξi в 1 с, рассчитанными на одну ч-цу с энергией ξk (для процесса отдачи энергии) или с энергией ξi (для процесса получения энергии). Если возможны как излучательные, так и безызлучат. К. п., то полная вероятность перехода равна сумме вероятностей переходов обоих типов. Т. о., за счёт безызлучат. К. п. время жизни на уровне уменьшается. Безызлучат. К. п. играет существ. роль, когда его вероятность сравнима с вероятностью соответствующего излучат. К. п. Если первая много больше второй, то подавляющее большинство ч-ц будет терять энергию возбуждения при безызлучат. процессах — будет происходить тушение спонтанного испускания.
0 См. лит. при ст. Атом, Молекула, Спектры оптические.
М. А. Ельяшевич,
КВАНТОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, усилитель эл.-магн. волн радиодиапазона, основанный на вынужденном излучении возбуждённых атомов, молекул, ионов. Эффект усиления в К. у. связан с изменением энергии внутриат. эл.-нов, движение к-рых подчиняется законам квант. механики. Поэтому, в отличие от обычных усилителей, где используются потоки свободных электронов, подчиняющихся законам классич. механики, эти усилители получили назв. квантовых. Исходное излучение частоты со, распространяясь в среде, содержащей возбуждённые ч-цы, у к-рых частота 0, соответствующая квант. переходу в менее возбуждённое состояние (в частности, в основное), совпадает с со, стимулирует эти переходы. Каждый акт перехода сопровождается испусканием эл.-магн. кванта h, частота, фаза и направленность к-рого такие же, как и у кванта, вызвавшего переход. В результате происходит усиление исходного излучения. В состоянии термодинамич. равновесия распределение ч-ц по уровням энергии определяется темп-рой Т, причём уровень с меньшей энергией ξ1 более населён,
Рис. 1. Распределение ч-ц по уровням энергии в условиях термодинамич. равновесия: а — при темп-ре T1; б — при темп-ре Т2 > T1; N — населённость уровней энергии; ξ — энергия.
чем уровень с большей энергией ξ2 (рис. 1; см. Больцмана распределение). Такое в-во всегда поглощает эл.-магн. волны. В-во начинает усиливать волны, становится активным, когда равновесие нарушается и возбуждённых атомов становится больше, чем невозбуждённых (инверсия населённостей). Существуют разл. методы создания инверсной населённости уровней энергии. Для К. у. наиб. удобным оказался метод, основанный на использовании трёх уровней энергии (описание метода и рисунок см. в ст. Квантовая электроника). Инверсную разность населённостей, достаточную для создания эфф. усилителей, удаётся получить только при охлаждении в-ва до гелиевых темп-р (~4,2 К). Существуют конструкции К. у., к-рые могут работать при темп-pax жидкого азота (~77 К) и выше (~190 К), но они менее эффективны.
Активная среда. Активным в-вом в К. у. служат диэлектрич. кристаллы с небольшой изоморфной примесью
277
парамагн. ионов (см. Парамагнетик, Изоморфизм), обладающих системой трёх (или более) энергетич. уровней, в к-рой осуществлена инверсия населённостей для двух уровней (рис. 2). Переходы между ними должны позволять усиливать сигнал заданной частоты. Обычно применяется рубин (Аl2О3 с примесью ионов Cr3+), рутил (TiO2 с примесью ионов Cr3 + и Fe3+),
Рис. 2. Возникновение инверсии населённостей для уровней ξ2 и ξ3 в системе с тремя уровнями ξ1, ξ2, ξ3 под действием накачки: a — при темп-ре Т1, б — при темп-ре Т2 >T1. Пунктир показывает распределение ч-ц по уровням энергии при термодинамич. равновесии.
изумруд (Аl2О3•6SiO2•3ВеО с примесью ионов Cr3+ ). Примесный ион в кристалле испытывает действие электрич. внутрикристаллического поля, создаваемого окружением. Это поле вызывает расщепление электронных уровней энергии, величина к-рого зависит от напряжённости и симметрии поля (см. Штарка эффект). Начальные расщепления «подстраивают» до нужной величины внеш. магн. полем Н, к-рое вызывает зеемановское расщепление и смещение уровней, зависящее от напряжённости магн. поля и его ориентации относительно осей симметрии внутрикрист. поля (см. Зеемана эффект). Разность энергии между подуровнями может быть легко изменена варьированием величины и направления Н. Такое в-во может усиливать радиоволны в нек-ром диапазоне частот.
Коэффициент усиления. Чем больший путь проходит волна в активном в-ве, тем выше коэфф. усиления К. у., показывающий во сколько раз амплитуда колебаний на выходе усилителя выше амплитуды на его входе. Коэфф. усиления можно увеличить, заставив волну многократно проходить через кристалл, помещённый для этого в объёмный резонатор. Волна, попавшая в резонатор через отверстие в его стенке, многократно отражается от стенок резонатора и длительно взаимодействует с активным в-вом. Усиление волны будет большим, если резонатор настроен на частоту усиливаемой волны. При каждом отражении от стенки с отверстием связи часть эл.-магн. энергии, накопившейся в резонаторе, излучается наружу в виде усиленного сигнала (рис. 3, для разделения входа и выхода резонаторного К. у. при-
меняется т. н. циркулятор). Такой К. у. наз. отражательным.
Полоса пропускания. Кроме требуемого коэффициента усиления К, К. у. характеризуется частотной полосой пропускания, к-рая определяет его способность усиливать сигналы, быстро изменяющиеся во времени. Чем быстрее изменяется сигнал, тем больший частотный интервал
Рис. 3. Схема отражат. квант. усилителя с одним резонатором.
он занимает. Если полоса пропускания усилителя меньше полосы, занимаемой сигналом, то в усилителе произойдёт сглаживание сигнала. Введение резонатора в конструкцию К. у., с одной стороны, увеличивает его коэфф. усиления, а с другой — во столько же раз уменьшает его полосу пропускания. Однорезонаторные К. у. не получили распространения из-за невозможности обеспечить широкую полосу пропускания. Более широкую полосу пропускания при большом коэфф. усиления имеют многорезонаторные К. у. Существует два типа многорезонаторных К. у.: отражат. типа с циркулятором (рис. 4) и проходного типа. В проходных К. у. волна распространяется вдоль цепочки резонаторов, заполненных активной средой. В каждом резона-
Рис. 4. Отражат. усилитель с тремя резонаторами.
торе при значит. полосе пропускания усиление невелико, но полное усиление всей цепочки может быть достаточно большим. Резонаторы проходного К. у. соединены друг с другом ферритовыми элементами. Под действием пост. магн. поля ферриты приобретают св-во пропускать волну, распространяющуюся в одном направлении, поглощая встречную волну. Осн. недостаток многорезонаторных К. у.— сложность перестройки частоты, т. к. при этом необходимо одновременно с изменением менять собств. частоту большого числа резонаторов.
Время вз-ствия волны с в-вом можно увеличить, применяя вместо системы резонаторов т. н. замедляющие структуры. Скорость распространения волны вдоль такой структуры во много раз меньше скорости распространения волны в волноводе или в свободном пр-ве. С уменьшением скорости распространения волны увеличивается усиление при прохождении волной единицы
длины кристалла. Замедляющие структуры широкополосны, что даёт возможность перестраивать частоту К. у. изменением только Н. Полоса пропускания таких К. у., а также многорезонаторных К. у. определяется шириной спектр. линии. К. у. с замедляющей структурой получили назв. К. у. бегущей волны.
Шумы. Кроме вынужденных квант. переходов в состояние с меньшей энергией, возможны и самопроизвольные (спонтанные) переходы, в результате к-рых излучаются волны, имеющие случайные амплитуду, фазу и поляризацию. Эти волны добавляются к усиливаемой волне в виде шумов. Спонтанное излучение явл. единственным, принципиально неустранимым источником шумов К. у. Мощность спонтанного излучения очень мала в радиодиапазоне и резко растёт при переходе к оптич. диапазону. В связи с этим К. у. радиодиапазона (мазеры) отличаются исключительно низким уровнем собств. шумов. В них отсутствует дробовой шум, кроме того, у них мал и тепловой шум, т. к. они работают при темп-pax, близких к абс. нулю. Благодаря низкому уровню собств. шумов К. у. способны усиливать без искажений очень слабые сигналы. Они применяются в кач-ве входных каскадов в самых высокочувствит. радиоприёмных устройствах в диапазоне длин волн ~4 мм—50 см. К. у. значительно увеличили дальность действия линий косм. связи с межпланетными станциями, планетных радиолокаторов и радиотелескопов.
Мощность шумов К. у. удобно измерять, сравнивая её с мощностью из лучения абсолютно чёрного тела на частоте усиливаемого сигнала, и выражать её через абс. темп-ру Тш (см. Шумовая, температура). Для большинства активных в-в, используемых в К. у., Тш от 1 до 5 К. В реальных К. у. к этим ничтожно малым шумам добавляется гораздо более мощное тепловое излучение подводящих волноводов и др. конструктивных деталей антенны. Мощность теплового излучения пропорц. коэфф. поглощения усиливаемой волны в этих элементах приёмного устройства. Для уменьшения шумов необходимо охлаждать возможно большую часть входных деталей, но охладить весь входной тракт до 4 К невозможно. Поэтому не удаётся снизить шумы К. у. с антенной ниже 10 К. Это прибл. в 100 раз ниже уровня шумов лучших усилителей, имевшихся до появления К. у. Охлаждение К. у. производится жидким гелием в криостатах. Трудности, связанные со сжижением, транспортировкой и переливанием жидкого гелия, ограничивают применение К. у. Используются малые холодильные машины с замкнутым циклом движения охлаждающего в-ва, подсоединяемые непосредственно криостату.
278
• Штейншлейгер В. Б., Мисежников Г. С., Лифанов П. С., Квантовые усилители СВЧ (мазеры), М., 1971: Карлов Н. В., Маненков А. А., Квантовые усилители, М., 1966: С и г м е н А., Мазеры, пер. с англ., М., 1966: Квантовая электроника, М., 1969 (Маленькая энциклопедия); Корниенко Л. С., Штейншлейгер В. Б., Квантовые усилители и их применение в космических исследованиях, «УФН», 1978, т. 126, в. 2.
А. В. Францессон.