Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I Краткий обзор состояния разработок КПУ, нашедших применение в радио астрономии 13
1.1. Применение резонаторных квантовых усилителей в спектральной радиоастрономии 13
1.2. Квантовые усилители бегущей волны и их применение в радиоастрономии 18
1.3. Квантовые усилители нового поколения - с диэлектрическим замедлением волны в образце 33
ГЛАВА II. Выбор активного вещества с оптимальной схемой инверсии и некоторые вопросы повышения эффективности рубина на волне 1,35 см 38
2.1. Рубин-как активное вещество для КПУ с диэлектрическим замедлением на волне 1,35 см 38
2.2. Кросс-релаксационный КПУ на волне 1,35 см 53
2.3. Повышение эффективности кристаллов рубина в КПУ путем частотной модуляции накачки 58
ГЛАВА III. Разработка КПУ на волне 1,35 см для радиоастрономических исследований 66
3.1. Двухрезонаторный квантовый усилитель на волне А= 1,35 см на рубине 66
3.2. Волноводный квантовый усилитель с диэлектрическим замедлением волны на А = 1,35 см 73
3.3. Исследование применения ГДГ и ГЛПД в качестве накачки КПУ 90
3.4. Основные характеристики волноводного квантового усилителя на волне А = 1,35 см 94
ГЛАВА ІV. Применение волноводного квантового усилителя на волне 1,35 см на радио телескопе РАТАН-600 107
4.1. Программно-управляемый спектрометрический комплекс радиотелескопа РАТАН-600 107
4.2. Спектральный приемник на волну 1,35 см в составе с ВКУ и исследование его основных характеристик 119
4.3. Проведение спектральных наблюдений на волне 1,35 см акустооптическим спектрометром, сопряженным с ВКУ, на радиотелескопе РАТАН-600 135
4.4. Некоторые результаты радиоастрономических наблюдений на радиотелескопе РАТАН-600 на волне 1,35 см спектральным приемником с ВКУ на входе І42
Заключение 156
Литература 159
- Квантовые усилители нового поколения - с диэлектрическим замедлением волны в образце
- Повышение эффективности кристаллов рубина в КПУ путем частотной модуляции накачки
- Волноводный квантовый усилитель с диэлектрическим замедлением волны на А = 1,35 см
- Спектральный приемник на волну 1,35 см в составе с ВКУ и исследование его основных характеристик
Введение к работе
Одной из основных проблем радиофизики всегда оставалось повышение чувствительности радиоприема. Острота и актуальность этой проблемы заметно возросла в связи с активным изучением космического пространства методами радиоастрономии, в ее стремлении все глубже проникнуть во Вселенную, в повышении уровня принимаемой информации при решении многих важнейших задач астрофизики.
Известно, что чувствительность радиоприемных устройств ограничивается внутренними шумами их приемно-усилительных элементов. До появления квантовых усилителей уровень внутренних шумов приемников дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов резко превышал уровень внешних шумов, обусловленных фоном космического радиоизлучения, шумами атмосферы и тепловым излучением земной поверхности. В то же время квантовые парамагнитные усилители (КПУ) в радиодиапазоне имеют чрезвычайно низкий уровень собственных шумов, которые приближаются к квантовому пределу. Именно низкий уровень собственных шумов является основным достоинством квантовых усилителей. Поэтому они применяются в тех случаях, когда главным требованием, предъявляемым к радиоприемной системе, является обеспечение предельно малой шумовой температуры. К такого рода системам относятся наземные радиоприемные системы дальней космической связи (ДКС) и ряд радиоастрономических систем (спектральные радиометры, радиоинтерферометры со сверхдлинной базой - РСДБ, планетные радиолокаторы и
др.).
Из всего ряда приложений, где нашли применение квантовые усилители (мазеры), особое место занимает радиоастрономия.
Радиоизлучения внеземного происхождения, которые изучает радиоастрономия, можно разбить на два основных класса: радиоизлучение, сравнительно медленно изменяющееся с частотой, так называемое радиоизлучение в "сплошном спектре", и радиоизлучение, интенсивность которого сосредоточена в сравнительно узких частотных интервалах - "спектральных линиях", ширина которых лежит в пределах от единиц килогерц до нескольких мегагерц.
Изучение спектральных линий (интенсивности допплеровского сдвига, определяющего скорость движения источника, формы линии-"профиля") дает сведения о структуре и динамике Вселенной и является в настоящее время одним из важнейших направлений в радиоастрономии.
Известно, что флуктуационная чувствительность приемной сие-темы - А I , принимающая шумовой сигнал, в основном, определяется шумовыми характеристиками входного усиливающего каскада, и в простейшем случае выражается формулой:
где |с - температура шума всей приемной системы, Д-J-полоса пропускания приемника до детектора, Т - время интегрирования, (А - коэффициент, зависящий от типа приемника. Из (I) очевидно, что чувствительность системы (при неизменном времени интегрирования) можно повысить как расширением полосы пропускания Д радиометра , так и уменьшением шумовой температуры системы |с . Для амплитудных радиометров,принимающих сигнал в сплошном спектре,первый способ находит широкое применение.Однако,для частотных радиометров,предназначенных для
приема излучения в спектральных линиях космического радиоизлучения, где полоса пропускания ограничивается шириной линии, единственным способом повышения чувствительности приемных систем остается уменьшение шумовой температуры системы. Поэтому все мало-шумящие полупроводниковые усилители (параметрические, транзисторные, туннельные и т.п.), которые находят широкое применение в радиометрах сплошного спектра и обеспечивают высокую радиометрическую чувствительность благодаря широкой полосе пропускания, не способны конкурировать с квантовыми усилителями в спектральных радиометрах.
Уже первые попытки применения квантовых парамагнитных усилителей в радиометрах привели к такому выигрышу в чувствительности, которая была рекордной для того времени.
Дальнейшее развитие техники и усовершенствование конструкций КПУ привело к таким выдающимся открытиям современной радиоастрономии, как обнаружение реликтового фона космического радиоизлучения, радиолокации Венеры и других планет и т.д.
В настоящее время спектральная радиоастрономия немыслима без квантовых усилителей. Наблюдения спектральных линий дают важные сведения о природе звездообразования и расширяют наши знания о Вселенной. Таковыми являются линии нейтрального водорода на волне 21 см, возбужденного водорода на волне 5 см, гидроксила на 18 см и т.д.
В конце 60-х годов впервые, именно с применением квантовых усилителей,были зарегистрированы спектральные линии радиоизлучения молекул водяного пара и аммиака на волне 1,25 - 1,35 см в ряде областей Галактики. Природа излучения таких объектов основана на "мазерном" эффекте, поэтому их иначе называют "мазерними" ис-
точниками.
Советскими учеными под руководством Р.Л.Сороченко, с помощью радиометра (КУЕВ на входе) в миллиметровом диапазоне волн была обнаружена первая спектральная линия возбужденного водорода на длине волны 0,8 см, которая дала новый толчок к освоению и развитию техники миллиметрового диапазона волн.
Прогресс в освоении новых диапазонов волн в радиоастрономии, в свою очередь, привел к интенсивному развитию квантовой радиоэлектроники. Назрела необходимость наряду с повышением эксплуатационных характеристик КПУ (широкая полоса пропускания, большой диапазон перестройки, уменьшение мощности накачки) увеличить надежность, уменьшить вес, габариты, максимально упростить и облегчить обслуживание установок.
Первые квантовые усилители представляли собой довольно громоздкие и сложные сооружения. Применение электромагнитов с обмотками из сверхпроводящей проволоки намного облегчило конструкцию и увеличило стабильность усилителей. Развитие электронной техники позволило использовать в качестве генераторов накачки лампы обратной волны взамен мощных магнетронов, а последние достижения полупроводниковой электроники вселяют надежду на дальнейшее упрощение и миниатюризацию таких усилителей. Использование микроохладителей замкнутого цикла (МКС), в свою очередь, упростит проблему обслуживания установок с КПУ.
Поскольку КПУ традиционно рассматривались как сугубо узкополосные системы, обладающие ограниченной перестройкой по частоте, последние годы работы велись, в основном, в направлении дальнейшего повышения эффективности КПУ созданием новых электродинамических систем, позволяющих реализовать максимально возможные
широкие полосы пропускания и перестройку квантовых усилителей в широком интервале частот. Поиски привели к принципу диэлектрического замедления волны в образце, позволяющего достаточно эффективно взаимодействовать поля излучения с активным веществом. Создавая линейно-распределенное неоднородное уширение линий в образце с помощью внешнего магнитного поля в сочетании с частотной модуляцией накачки, можно достичь достаточно широкой полосы пропускания усилителя. А хорошее согласование активного вещества с линией (с КСВН ^1,2) обеспечивает перестройку в широком диапазоне частот. Подтверждение тому разработанные у нас в стране и за рубежом КПУ с полосой пропускания в сотни МГц, с широким диапазоном перестройки, не уступающие усилителям на полупроводниковых элементах, что открывает новые перспективы их применения в радиоастрономических исследованиях в сплошном спектре и в качестве малошумящих УІН в радиометрах миллиметровых волн с использованием охлаждаемых параметрических преобразователей вверх и вниз.
В силу малости собственных шумов квантовых усилителей задача их сопряжения с приемными системами имеет немаловажное значение. Необходимо, чтобы шумы антенны, атмосферы и входных трактов приемника были меньше или одного порядка с шумами усилителя. Только при этих условиях будет обеспечено максимально эффективное использование возможностей КПУ.
Как было отмечено, открытие квазимояохроматического радиоизлучения из космического пространства в линиях водяного пара на волне 1,35 см вызвало огромный интерес в радиоастрономии и перед разработчиками радиоаппаратуры поставило определенную задачу разработки высокочувствительной радиоприемной аппаратуры на
этой волне. Но, как известно, предельно высокую чувствительность можно было получить лишь при помощи КПУ на входе приемной системы. Следует отметить, что к началу работы автора в этом направлении вообще отсутствовали работы по разработке КПУ на длине волны 1,35 см.
Целью настоящей работы являлась:
разработка и создание малошумяшего КПУ на волне 1,35 см, позволяющего реализовать широкие полосы пропускания и широкий диапазон перестройки;
повышение эффективности использования активного вещества КПУ путем частотной модуляции накачки;
сопряжение КПУ со спектральным приемником на волне 1,35 см, входящим в состав спектрометрического комплекса радиотелескопа РАТАН-600;
проведение радиоастрономических наблюдений спектральных линий водяного пара БдО на волне А = 1,35 см на радиотелескопе РАТАН-600 с применением программно-управляемого спектрометрического комплекса.
Содержание работы:
В соответствии с поставленной задачей диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. В конце каждой главы приводятся краткие выводы.
В первой главе проведен литературный обзор основных разработок квантовых парамагнитных усилителей от дециметрового до миллиметрового диапазонов воля, опубликованных до настоящего времени. Проведен сравнительный анализ различных типов конструкций электродинамических систем КПУ по мере их развития и совершенствования с целью выявления условий обеспечения высоких
эксплуатационных характеристик КПУ для решения широкого круга прикладных задач - радиоастрономия спектральных линий, исследование в непрерывном спектре, РСДБ, радиолокация планет и т.п.Показано преимущество широкополосных квантовых усилителей,основанных на принципе диэлектрического замедления волн в образце, отличающихся простотой конструкции (без замедляющих структур и невзаимных элементов), по сравнению с другими типами квантовых усилителей, открывающие новые сферы для их практического применения.
Во второй главе, по единому подходу определения эффективности различных активных веществ для квантовых усилителей, проведен сравнительный анализ между рубином и рутилом при определении наиболее подходящего материала для разрабатываемого волно-водного квантового усилителя, работающего на принципе диэлектрического замедления волны в коротковолновой части сантиметрового диапазона. Показано преимущество рубина по сравнению с другими кристаллами, обеспечивающего необходимое погонное усиление на единицу длины образца, учитывая условие искусственного роста рубиновых кристаллов высокого качества и необходимой ( ^ 10 см) длины. Выявлены условия эффективной работы кристаллов рубина в рабочем диапазоне волн для обеспечения максимальных инверсионных характеристик при минимизации уровня мощности накачки. Показана возможность повышения эффективности работы активного вещества в КПУ, используя частотную модуляцию накачки.
Третья глава посвящена разработке квантовых усилителей различных конструкций на волне Д= 1>35 см с целью их дальнейшего применения в радиоастрономических исследованиях. Рассмотрены критерии работы квантового усилителя по принципу диэлектрического замедления волны,условия обеспечения необходимых характеристик
- II -
такого усилителя. Проведен полный расчет усилителя,приведены экспериментальные результаты и описана методика измерений всех основных параметров разрабатываемого квантового усилителя.Подробно описана вся установка и принцип работы разработанного вол-новодного квантового усилителя (ВКУ) на волне 1,35см. Исследована возможность применения твердотельных генераторов в качестве накачки для КПУ. Показана целесообразность и несомненные преимущества таких источников излучения по сравнению с традиционно применяемыми до сих пор источниками накачек на примере опыта эксплуатации на радиотелескопе РАТАН-600.
В четвертой главе приводятся некоторые сведения о работе волноводного квантового усилителя со спектральным приемником СП-1,35 в составе спектрометрического комплекса радиотелескопа РАТАН-600. Дано краткое описание всей приемной системы и приводятся основные характеристики как в отдельности для каждого узла приемника, так и для всей приемной системы в целом. Приводятся результаты экспериментов по стыковке и совместной работе в спектральных наблюдениях квантового усилителя с акустооптичес-ким анализатором спектра. Показана перспективность продолжения
этих опытов с целью применения таких систем как для регулярных наблюдений, так и для обнаружения новых источников радиоизлучения. Приведены некоторые астрофизические результаты исследования мазерных источников на радиотелескопе РАТАН-600, полученные в наблюдениях со спектральным приемником на волне 1,35 см с волноводным квантовым усилителем на входе.
Основными положениями настоящей диссертации, которые выносятся на защиту, являются:
I. Электродинамическая система КПУ в виде отрезка волно-
вода заполненного активным веществом, линейно распределенным по длине кристалла внешним магнитным полем и модуляцией частоты накачки, позволяющая осуществлять квантовое усиление в широкой полосе частот, перестраиваемая в широком диапазоне частот, отличающаяся простотой конструкции и технологией изготовления.
Разработка волноводного квантового усилителя отражательного типа с диэлектрическим замедлением волны в рубине по предложенной электродинамической системе на волне А = 1,35 см.
Повышение эффективности активного вещества и улучшение характеристик квантового усилителя при помощи частотной модуляции накачки и применения твердотельных генераторов (ГДГ, ГЛЦЦ) в качестве накачки КПУ.
Результаты внедрения и применения волноводного квантового усилителя на волне А = 1,35 см в радиоастрономических исследованиях линий водяного пара на радиотелескопе РАТАН-600.
Основные результаты диссертации опубликованы в 10 работах и докладывались на I Всесоюзной школе-семинаре по радиоприемным устройствам СВЧ, XI и ХІУ Всесюзяых радиоастрономических конференциях по аппартуре, антеннам и методам в г. Ереване в 1969, 1978 и 1982 годах, на УП Всесоюзной конференции по радиоастрономии в г. Горьком в 1972 году и на ХУ Всесоюзной конференции по галактической и внегалактической радиоастрономии в г. Харькове в 1983 году.
- ІЗ -ГЛАВА І
КРАТКИЙ ОБЗОР СОСТОЯНИЯ РАЗРАБОТОК КПУ, НАШЕДШИХ ПРИМЕНЕНИЕ В РАДИОАСТРОНОМИИ
І.І. Применение резонаторных квантовых усилителей в спектральной радиоастрономии
Вся история развития исследований по созданию квантовых усилителей, после открытия явления электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) Е.К.Завойским в 1944 г. и основополагающих работ Прохорова A.M. и Басова Н.Г. в 50-е годы,насчитывает около тридцати лет. Развитие разработок КПУ шло, в основном,по пути поиска новых активных сред и различных электродинамических систем, позволяющих получить эффект квантового усиления с целью дальнейшего их применения в различных радиоприемных системах и освоения все новых диапазонов, начиная от дециметровых до миллиметровых длин волн, для решения конкретных задач по ДКС, радиолокации планет, РСДБ, радиоастрономии и т.д.
Охватить и проанализировать все работы по исследованию создания КПУ за все эти годы их бурного развития нет,наверно, нужды, они достаточно хорошо и всеобъемлюще проведены в монографиях [I, 2, 3] и в обзорных статьях [4, 5], тем более, что большинство из них носят чисто теоретический или экспериментальный характер, показывающие потенциальные возможности их реализации. Поэтому в диссертации будут освещены, в основном, те работы, которые внесли определенный вклад в развитие по конструированию КПУ, для их наглядного сравнения, и нашли практическое приложение в различных радиоприемных устройствах.
Усилительные свойства КПУ определяются, в основном, активным веществом. Однако, не менее важным фактором для его реализации является электродинамическая структура усилителя, которая должна обеспечивать оптимальные условия взаимодействия воля сигнала и накачки с парамагнитным кристаллом. Эффективное взаимодействие может быть осуществлено как в режиме стоячей волны с помощью высокодобротных объемных резонаторов, так и в режиме бегущей волны с замедлением групповой скорости распространения с помощью различных замедляющих систем или непосредственно в самом образце, за счет диэлектрических свойств активного вещества. Поэтому КПУ подразделяется на два класса: резонаторные усилители (ШУ) и усилители бегущей волны (КУЕВ). Появившиеся в последние годы квантовые усилители, работающие по принципу диэлектрического замедления волны в образце, составляют третий класс квантовых усилителей. Рассмотрение их будет вестись в том же порядке, как они приводятся выше, поскольку они характеризуют все основные этапы развития и совершенствования квантовой радиоэлектроники.
Первый КПУ, реально работавший в радиометре 3-см диапазона, специально сконструированный для радиоастрономических целей,был резонаторного типа [6] . В качестве активного вещества использовался рубин в симметричной ориентации, 0 = 54,7. С его помощью впервые удалось достигнуть общей шумовой температуры системы в 85 К и флуктуационяой чувствительности 0,04 К (в полосе 5,5 МГц и Т = 5 сек). Были проведены исследования слабых источников радиоизлучения (Юпитер, Марс, Венера и др.). Полученные результаты подтвердили целесообразность применения КПУ в радиоастрономии.
КПУ, аналогичный вышеупомянутому, в том же диапазоне частот, но с улучшенными параметрами, описывается в работе [7J . При этом была расширена не только полоса пропускания усилителя до 20*30 МГц, но увеличен и коэффициент усиления до 20423 дБ. Общая шумовая температура системы была понижена до 75 К, из которых 30 К приходились на долю антенны. Достигнутая флуктуацион-ная чувствительность равнялась 0,012 К в полосе УПЧ 8 МГц при времени интегрирования Т = 12 сек и 0,007 К при Т = 42 сек. КПУ предназначался для наблюдений излучения Сатурна и других источников на 25-метровом Мичиганском радиотелескопе.
Впервые для спектральных наблюдений радиолиний нейтрального водорода на волне Д= 21 см, был применен однорезонаторный квантовый усилитель на рубине f8] . Коэффициент усиления равнялся 20 дБ при полосе пропускания 2 МГц. Шумовая температура всей системы получалась 85 К. Для обеспечения необходимой стабильности коэффициента усиления КПУ, через цепь обратной связи управлялась мощность накачки, регулируя дрейф коэффициента усиления усилителя. В полосе 200 КГц при постоянном времени X = 10 сек был зарегистрирован сигнал с антенной температурой 1,6К.
В СССР, в начале 60-х годов, с применением резонаторного КПУ дециметрового диапазона [9] , значительно повысившего чувствительность всей приемной системы, впервые в мире была осуществлена радиолокация планет Меркурий, Юпитер, Венера.
Необходимо отметить, что первые разработки КПУ, описанные выше, были однорезонаторными и нашли применение в радиоастрономии для исследований лишь в сплошном спектре, кроме [8] , как отмечалось выше.
Поскольку однорезонаторные КПУ являются регенеративными
системами, то им, естественно, свойственны характерные недостатки, присущие таким системам. Для получения необходимого большого коэффициента усиления (20*30 дБ) приходилось применять большую степень регенерации, поэтому они были нестабильны и усиливали в очень узкой полосе частот. По этой причине однорезояаторные КПУ не нашли в дальнейшем применения в практических радиоприемных системах.
Впервые в СССР, в радиоастрономической аппаратуре,предназначенной для спектральных наблюдений линий нейтрального водорода на волне 21 см, P.M.Мартиросяном был применен отечественный КПУ, разработанный под руководством академика А.М.Прохорова в ФИАН СССР в 1963 году [10, II] . Этот усилитель был первым двухрезонаторным КПУ и представлял собой классический пример реализации ранее опубликованных работ о связанных резонаторах в КПУ [12, 13] . Характеристики усилителя были: коэффициент усиления 15ч-18дБ, полоса пропускания 8*10 МГц. В нем, одним из первых, был практически применен электромагнит со сверхпроводящими обмотками, что позволило существенно уменьшить вес усилителя и повысить стабильность его параметров.
Этот усилитель был установлен на радиотелескопе РТ-22 ФИАН в Серпухове и были проведены исследования радиолинии нейтрального водорода на волне д = 21 см [14, 15] , представляющие большой интерес для радиоастрономии.
Применение его на входе радиометра позволило резко повысить чувствительность всей приемной системы. В сплошном спектре, при полосе 8 МГц и постоянной времени I сек, была реализована флуктуационная чувствительность ~ 0,12 К, а при наблюдении линии водорода 0,35 К (полоса 20 КГц, X = 30 сек). Вы-
игрыш в чувствительности, который был получен благодаря применению КПУ,составлял; соответственно: 7-8 раз в непрерывном спектре и 15 раз в спектральном канале.
В дальнейшем теоретические работы по многорезонаторным КПУ [16, 17, 18, І9І нашли практическое применение в создании таких усилителей, как у нас в стране [20, 21, 22, 23, 24] , так и за рубежом [25, 26, 27] в широком диапазоне частот.
Многорезонаторные КПУ несомненно более перспективны, чем однорезонаторные. Они гораздо широкополоснее, намного стабильнее и весьма удобны для создания приемных устройств с фиксированной настройкой, особенно в тех диапазонах, в которых конструирование систем бегущей волны приводит к очень большим размерам, преимущественно в дециметровом диапазоне волн. А в сантиметровом и длинноволновой части миллиметрового диапазона, в силу технологических трудностей конструирования замедляющих систем для КУВБ, опять-таки может оказаться более выгодным применение резонатор-ных усилителей, полоса пропускания которых, при разумных усилениях, уже не сильно отличается от полосы пропускания усилителей бегущей волны.
В дальнейшем, в сантиметровом и длинноволновой области миллиметрового диапазонов, успешно использовались резонаторы с полным заполнением активного вещества, вместо частично-заполненных объемных резонаторов [28]. Вследствие этого были получены сравнительно малые значения магнитной добротности, т.е. достигнут большой коэффициент усиления при низких значениях коэффициента инверсии. В работе [25] параллельное включение двух активных резонаторов с двумя последовательными пассивными контурами позволило получить большое (1700 МГц) значение произведения коэф-
фициента усиления на полосу пропускания КПУ в 3-см диапазоне волн.
Целесообразность таких резонаторних систем для КПУ была подтверждена в других работах [29,30,31] в 4-см и 8-мм диапазоне, а также в работах автора [32*, 33*, 34*] на волне 1,35 см.
Во всех этих усилителях использовался рубин в перпендикулярной и симметричной ориентациях. Полученные значения полосы пропускания 204-25 МГц и коэффициента усиления 20*23 дБ мало в чем уступали КУ бегущей волны в тех же диапазонах.
Заслуживают внимания также работы по созданию квантовых усилителей при промежуточных (выше гелиевой) и высоких (азотной) температурах. Трудности создания таких усилителей связаны с тем, что при этих условиях времена спин-решеточной релаксации резко сокращаются и для насыщения перехода накачки требуются достаточно большие мощности. Однако, усилия в этом направлении привели к созданию квантовых усилителей, работающих преимущественно при азотных (77 К) и промежуточных (40 К) температурах, как в сантиметровом [21, 35, 36] , так и в миллиметровом [31] диапазоне волн. Во всех указанных усилителях для поддержания необходимой температуры были применены холодильные машины замкнутого цикла.
1.2. Квантовые усилители бегущей волны и их применение в радиоастрономии.
Первые успехи применения резонаторних квантовых усилителей
здесь и далее по тексту звездочкой [ *] отмечены работы автора
дециметровых воля в радиоастрономии привели к интенсивному развитию и совершенствованию разработок в этой области. Продолжался поиск как новых материалов в качестве активных элементов, так и принципиально новых устройств КПУ, обладающих требуемыми для практического применения высокими эксплуатационными параметрами (большим усилением, достаточно широкой полосой пропускания, предельно малыми шумами, высокой стабильностью и надежностью и т.п.). В результате были созданы квантовые усилители в широком диапазоне длин волн - от дециметровых до миллиметровых, обладающие необходимыми требуемыми характеристиками.
Наиболее эффективными и получившими практическое применение в действующих радиоприемных системах сантиметрового и миллиметрового диапазонов волн являются квантовые усилители бегущей волны - КУБВ.
Основным преимуществом КУБВ является то, что благодаря поглощению отраженной волны невзаимным ферритовым элементом, помещаемым внутри замедляющей структуры, регенеративные эффекты в них практически полностью подавлены, что делает усилитель нечувствительным к рассогласованию входных и выходных импедансов. Ввиду нерегенеративного характера усиления стабильность коэффициента усиления и полоса пропускания КУБВ при большом усилении оказываются значительно больше, чем в резонаторном КУ.
Первые разработки таких усилителей были выполнены почти одновременно с резонаторними как за рубежом [37, 38, 39, 40] , так и у нас в СССР [41, 42, 43] . В качестве активного вещества во всех этих усилителях использовался розовый рубин.
В отличие от зарубежных разработок [37, 38] , где максимальное усиление получалось при откачке паров гелия до 1,8 К,
наши отечественные усилители [42, 43] выбором более эффективной накачки на переходе -( (вместо і ) имели коэффициент инверсии в 2-3 раза больше, тем самым во столько же больше коэффициент усиления, при 4,2К (характерные параметры наших усилителей были: (j =25 дБ, Д { =26 МГц).
Впоследствии в Советском Союзе под руководством профессора В.Б.Штейншлейгера была создана целая серия КУ бегущей волны на рубине, начиная от 8 см [44] и кончая 8 мм-ами [45, 46, 47], которые нашли широкое применение в радиоастрономических исследованиях, PCДБ и ДКС.
Появление квантовых усилителей бегущей волны было важным шагом в развитии квантовых усилителей. Благодаря таким достоинствам, как отсутствие регенерации, широкополосность, достаточно большой коэффициент усиления, простота перестройки в широком диапазоне частот, высокая амплитудная и фазовая стабильность КУБВ делают их почти идеальным предусилителем в радиометрической системе с точки зрения реализации предельно малой величины собственных шумов системы.
К числу недостатков КУБВ относятся:сложность технологии изготовления замедляющих систем, необходимость создания достаточно однородного магнитного поля в больших объемах, большие линейные размеры рабочего вещества и, соответственно, большие мощности вспомогательного излучения. Последняя, в свою очередь, приводит к более высоким требованиям к системе охлаждения рабочего вещества.
Первые радиоастрономические наблюдения с применением КУБВ были начаты в СССР на волне 8см в 1963 году [44]. Общая шумовая температура радиотелескопа с КУБВ была равна 120 К. Собствен-
ная шумовая температура усилителя при этом была ~15 К (при коэффициенте усиления 20 дБ и полосе пропускания 20 МГц). Достигнутая флуктуационная чувствительность при постоянной времени
Х- 3,2 сек составляла Д \ = 0,03 К. Чувствительность смесительного приемника при той же постоянной времени была Л I = 0,27 К, то есть применение КПУ повысило чувствительность в
^10 раз. Высокая чувствительность и стабильность работы радиометра с КУЕВ позволила провести наблюдения в непрерывном спектре покрытия Луной радиоисточяиков Телец А и 3G273. Наблюдалось также радиоизлучение от планеты Юпитер и Галактики М-82.
Астрономы давно предсказывали о наличии других линий излучения в радиодиапазояе, в частности, о линии радиоизлучения возбужденного водорода. Возбужденный водород более тесно связан со звездами, чем нейтральный,и поэтому излучение такой линии могло бы дать важные дополнительные сведения о строении Галактики и окружающей нас Вселенной. Но первые попытки не увенчались успехом из-за недостаточной чувствительности приемной аппаратуры. Это стало возможным только в 1964 году у нас в СССР под руководством Р.Л.Сороченко с помощью специально разработанного нулевого спектрального радиометра [48] , а также при использова- , нии в приемной системе КУ бегущей волны [49] . Установленная на 22-метровом радиотелескопе ФИАН СССР приемная аппаратура на волне 3,4 см [48] позволила обнаружить излучение линии возбужденного водорода, обусловленного переходами между атомными урв-нями 91 и 90 с интенсивностью 0,65±0,3 К по температуре антенны, на частоте 8872,5±0,3 МГц.
Немного позднее о наличии такой радиолинии на волне 5 см подтвердили наблюдения другой группы советских ученых с приме-
неяием на входе радиометра КУЕВ [49] и снять ее профиль в Туманности Омега. КУЕВ работал при температуре жидкого гелия 4,2 К, с коэффициентом усиления (jr = 25 дБ, при полосе пропускания Л S - 26 МГц и перестройкой на 150 МГц. Нестабильность усиления не превышала 0,05 дБ за 10 сек. Измеренная суммарная шумовая температура радиометра с КПУ составляла 32 К, из которых 18 К приходились на шумы супергетеродинного балансного приемника, пересчитанные на вход КПУ. Общая шумовая температура системы ~ П6 К. Флуктуациояная чувствительность радиометра с КПУ была равной Д j = 0,035 К при полосе 20 МГц и постоянной времени Т =3,5 сек. Полоса анализа радиоспектрометра была равна для двух циклов наблвдений 5,5 МГц и 3,5 МГц, соответственно.
Впоследствии более усовершенствованный КУ бегущей волны с радиометром на волну 5,2 см был также установлен на радиотелескопе РТ-22 ФИАН для регулярных наблюдений радиолинии возбужденного водорода, образующегося в туманности Омега при переходах между 105-м и 104-м энергетическими уровнями атома, а также для проведения измерений слабых дискретных источников в непрерывном спектре [50] . Радиометр работал в двухрупорном режиме приема. Примененный в нем КУЕВ обладал теми же характеристиками, которые имелись раньше в [43] . Шумовая температура усилителя вместе с последующим супергетеродинным приемником составляла 30±5 К. Его длительная эксплуатация показала, что он обладает высокой стабильностью коэффициента усиления и прост в обращении. В радиометре был использован анализатор спектра с шириной полосы 300 КГц. Для устранения интерференционных явлений и "паразитной модуляции" были предприняты специальные меры. Радиометр обладал
следующими характеристиками: в широкополосном канале ( А т = 25 МГц) была реализована чувствительность A I = 0,044-0,05 К, при X - I сек, что соответствует общей шумовой температуре системы Тс = 130-160 К (температура антенны rKJ 25 К), которая довольно близко совпадала с расчетным значением 154 К, вычисленного по формуле (I). Высокая чувствительность радиометра позволяла в одиночной записи уверенно наблюдать источники с антенной температурой порядка 0,1 К. При эффективной площади ан-тенны около 190 м это соответствует потоку радиоизлучения 1,5-10 Вт.м Гц . Основной программой радиометра было наблюдение линий возбужденного водорода ft-jos-"" ҐІІОь (5762,89 МГц). В спектральном канале была реализована чувствительность
Л I = 0,04 К при постоянной времени V = 50 сек, обычно
используемой при наблюдениях. Уверенно выделялись спектральные линии вплоть до 0,06 К по температуре антенны. В результате проведенных наблюдений была измерена линия ҐІІ05-^ҐІІ0^ и определены ее параметры для ряда эмиссионных туманностей [51] .
Одновременно появились новые разработки КУ бегущей волны за рубежом в диапазоне дециметровых и сантиметровых длин волн
[52, 53, 54], работающие при температуре 4,2 К и мало в чем уступающие аналогичным отечественным образцам. В качестве активного вещества у них использовались хорошо зарекомендовавший в этих диапазонах традиционный рубин ( ж203 примесью ионов
\^Т*3*)» а также рутил ( \l 02 G примесью ионов Сг3+ или
Ре3-*") с большим начальным расщеплением.
КУЕВ, сконструированный специально для исследований линий нейтрального водорода на 20-метровом радиотелескопе Гарвардского университета, состоял из двух секций замедляющей структуры,
включенных последовательно [55]. Суммарный коэффициент усиления составлял около 32 дБ, а мгновенная ширина полосы около II МГц. Шумовая температура всей системы оценивалась в 50 К, из коих двум секциям КУБВ, суммарно, отводилась всего 7К. Этот результат является достижением и на сегодняшний день. Флуктуаци-онная чувствительность в широкой полосе тоже получилась, соответственно, высокая Д I = 0,005 К.
Заслуживает внимания также разработанный КУБВ в диапазоне волны 5,2 см на рутиле с примесью ионов Г83+ [56]. В качестве замедляющей структуры использовалась меандровая линия. В работе обсуждены вопросы преимущества рутила с гр3+ по сравнению с рубином и рутилом с (Jp 3* , применительно для данной конструкции и данного диапазона, приводятся сравнительные характеристики мазерных материалов. Коэффициент усиления во всем диапазоне перестройки (800 МГц) получался не менее 28 дБ при полосе пропускания 14 МГц. Собственные шумы усилителя равны 10 К.
Сконструированный КУБВ на волну 13,2 см [53] , пригодный для многих областей практического применения, начиная от наземь ных установок и кончая бортовыми, прошел всевозможные испытания на надежность (климатические, вибрационные, высотные и т. д.) и показал высокие эксплуатационные качества. Активным материалом для него служил рубин в перпендикулярной ориентации оси кристалла к внешнему магнитному полю. Магнитное поле создавалось в электромагните со сверхпроводящими обмотками. Рабочая температура 4,2 К. Был достигнут коэффициент усиления 30 дБ при полосе пропускания 22 МГц. Шумовая температура усилителя не превышала 10 К. Диапазон перестройки получился достаточно широким
( ~ 11%) около 2200 МГц. Кроме этого, впервые используя пространственную неоднородность уширения линий ЭПР с помощью внешнего магнитного поля, была доказана возможность получения огромной для КПУ того времени полосы пропускания, 125 МГц, при электронном коэффициенте усиления в 16,5 дБ.
Интересный КУ бегущей волны приводится в работе [57] , в котором также применяется неоднородное уширение линии ЭПР для расширения полосы пропускания усилителя. На волне 7,2 см была получена полоса 50 МГц при коэффициенте усиления 22 дБ. Для не-уширенной линии имели полосу 12 МГц при усилении 50 дБ. Эти параметры получались при температуре 2,2 К с откачкой паров гелия. Активным материалом служил рубин. Температура шума этого усилителя составляла около 20 К.
Рекордно малая шумовая температура - 3,5 К была получена в КУЕВ на рубине на волне 7,2 см [52] , специально разработанный для системы дальней космической связи "Телстар". Достоинством этого усилителя являлось не только предельно низкая шумовая температура, но и высокий коэффициент усиления - 34 дБ при полосе пропускания 25 МГц.
Дальнейшее развитие разработок квантовых усилителей шло по пути укорочения длины волны, вплоть до миллиметровых волн. Миллиметровый диапазон привлек к себе особый интерес потому, что в этом диапазоне достигаются более высокая разрешающая способность, меньшие размеры антенн при сравнимом усилении, более лучшие характеристики распространения при прохождении через сильно ионизированные среды, а также возможность расширения рабочей полосы устройств. Благодаря этим особенностям миллиметровый диапазон представляет потенциальный интерес для использования его в таких
областях,как радиолокация, радиометрия и картографическая съемка высокого разрешения, космическая связь, слежение за космическими объектами, плазменная диагностика, исследования атмосферы, спектроскопия и радиоастрономия. Однако все это возможно лишь при наличии весьма чувствительной приемной аппаратуры с малыми внутренними шумами. Причем, в отличие от обычных радиометров, высокая чувствительность, особенно при приеме монохроматического излучения, как известно, не может быть достигнута за счет расширения полосы пропускания радиометра до детектора. А таковым, как известно, "идеальным" предусилителем: с точки зрения обеспечения минимальных шумов при достаточных усилениях и умеренных значениях полосы пропускания, пока что является квантовый парамагнитный усилитель.
Работы по созданию КПУ в миллиметровом диапазоне интенсивно развивались как у нас в стране, так и за рубежом. Очень скоро появилось сообщение о создании такого усилителя в США [58] . Разработанный КУЕВ, предназначенный для работы в диапазоне 8 мм, отличался широким диапазоном перестройки и низкой шумовой температурой. В качестве рабочего вещества использовался рутил с хромом ( | 1и2 Сг ) КПУ работал в режиме двухтактной накачки, он использовал широкополосные ферритовые вентили с гелиевым охлаждением, которые позволяли получить усиление на бегущей волне с перестройкой в полосе 5 ГГц. Полный коэффициент усиления КУЕВ составлял 20 дБ, мгновенная ширина полосы 75 МГц, шумовая температура около 20 К. Благодаря использованию КПУ, чувствительность радиометра возросла примерно в 33 раза, в однополосном режиме. Однако, необходимо отметить, что вследствие недостаточной величины замедления (порядка 10), нужное усиление не достигалось при
температуре жидкого гелия 4,2 К, и было необходимо понижать температуру до 1,7 К, что достигалось непрерывной откачкой паров гелия. Это существенно усложняет эксплуатацию КПУ и, по-видимому, по этой причине разработанный КУЕВ, с хорошели характеристиками, к сожалению, не был применен в реальной системе.
Созданный немного позднее в СССР КУЕВ, в том же диапазоне, под руководством В.Б.Штейншлейгера, выгодно отличался от него именно тем, что восполнял этот пробел. Авторами было показано, что вопреки существовавшему мнению, рубин может быть эффективно использован в КПУ на волне 8 мм [42, 47] . С применением этого КУЕВ был разработан высокочувствительный радиоспектрометр диапазона 8 мм для радиоастрономических исследований [45] . Как говорилось выше, рабочей температурой для КУЕВ была 4,2 К. Коэффициент усиления составлял более 25 дБ в полосе, превышающей 20 МГц. Суммарная температура шума ^ 40 К. Возможный диапазон электронной перестройки был больше I ГГц. Флуктуации коэффициента усиления не превышали 2 %, Радиометр работал в двухрупорном режиме. Общая шумовая температура радиометра с антенной оказалась равной 220 К. Флуктуациояная чувствительность радиометра с КУЕВ при Т = I сек в широкой полосе Д -^ =20 МГц и узкой полосе А 7г = * ^ равнялась, соответственно, Д Ц = 0,09 К и Д I2 = 0,35 К. Медленные уходы коэффициента усиления радиометра составляли "^ 5 % за I час работы. С помощью этого радиоспектрометра, установленного на радиотелескопе РТ-22 ФИАН,были проведены систематические радиоастрономические исследования на волне 8 мм как спектральных линий, так и в непрерывном спектре. Достигнутая высокая чувствительность позволила обнаружить первую спектральную линию в миллиметровом диапазоне волн - линию радио-
излучения возбужденного водорода пЭU (Лна волне 8 мм [59] , Исследования этой линии дали ценную научную информацию, которая позволила значительно улучшить согласие в результатах измерении методом радиолиний и оптическим методом [60] .
В дальнейшем оснащение радиотелескопов РТ-22 ФИАН и Крымской астрофизической обсерватории квантовыми усилителями бегущей волны восьмимиллиметрового диапазона [46] позволило снизить общую шумовую температуру этих радиотелескопов примерно в 25 раз. Была обеспечена чувствительность Д \i = 0,05 К в полосе Л j, = I МГц, Т = 50 сек при спектральных наблюдениях и Д |2 = 0,08 К в полосе Л "5 2 =20 МГц, X = I сек при наблюдениях в сплошном спектре. За все годы непрерывной работы они показали прекрасные эксплуатационные качества.
За рубежом также велись интенсивные работы по освоению миллиметрового диапазона волн. Особенно следует отметить достижения в этой области Радиоастрономической Обсерватории в Онсала (Швеция) . Созданная у них целая серия КУ бегущей волны от дециметровых до миллиметровых волн [61, 62] успешно применяются до настоящего времени для решения многих радиоастрономических вопросов - радиокартирования, спектральных исследований, интерференции со сверхдлинными базами и т.п. Во всех этих КУЕВ активным материалом служит рутил с примесью ионов ЬГ3+ или rQ3"t Необходимо отметить, что рабочая температура этих усилителей понижена до 1,7-5-2 К в системах охлаждения о замкнутым циклом, как авторы утверждают, с целью обеспечения более эффективной работы активных кристаллов при низких температурах [61] .
В диапазоне 8 мм хотелось бы отметить еще работу [63] , в которой сообщалось о создании КУЕВ на рутиле с хромом. Но даль-
ше лабораторного макета работа не была продолжена, хотя КПУ обладал неплохими параметрами и не был лишен оригинальности в конструкции.
В последнее время повысился интерес к радиоастрономическим исследованиям на более коротких миллиметровых волнах, особенно в связи с обнаружением в этом диапазоне линий космического излучения, соответствующих вращательным спектрам ряда молекул. Чувствительность радиометров на этих волнах весьма низка, поэтому задача создания эффективных малошумящих входных устройств на волнах короче 8 мм является весьма актуальной.
Полупроводниковые параметрические усилители в этом диапазоне пока малоэффективны, а создание практически пригодных для применения КПУ в радиометрической аппаратуре на коротких миллиметровых волнах связано со многшли трудностями. Первая и определяющая проблема связана с выбором активного вещества. Но, как известно, до сих пор количество их в этом диапазоне весьма ограничено. К числу кристаллов, удовлетворяющих требованиям,налагаемым на активное вещество в этом диапазоне, относятся - рутил, андалузит и изумруд. Из них наиболее широкое применение в КПУ миллиметрового диапазона нашли рутил и андалузит с ионами г83+ благодаря большому значению начального расщепления.
Другая, не менее важная проблема связана с созданием электродинамических структур, обеспечивающих эффективное взаимодействие волн сигнала и накачки с активным веществом. Создание таких оптимальных структур для КПУ в этом диапазоне вообще осложняется тем обстоятельством, что в РКУ изготовление добротных объемных резонаторов технологически трудно. А использование самих образцов в качестве диэлектрических резонаторов неудобно,
- зо -
так как при больших значениях диэлектрической проницаемости даже очень малые образцы являются многомодовыми резонаторами, что приводит к нестабильности усиления и сопровождается генерацией на близких частотах. Что касается периодических замедляющих структур КУБВ, то с ростом частоты увеличиваются в них потери и резко усложняется их изготовление. Кроме этого, отсутствие достаточной мощности источников вспомогательного излучения на еще более коротких волнах (т.к. - :$> -f ) тоже является серьезным препятствием на пути создания работоспособных КПУ в этом диапазоне.
Но несмотря на все эти трудности, было сделано немало теоретических и экспериментальных работ как в Советском Союзе, так и за рубежом по созданию КПУ в этом диапазоне. Хотелось бы отметить усилия в этом направлении зарубежных авторов в работах [64] - [69] на рутиле с г Q3+ и советских специалистов в работах [70, 71, 72] на андалузите с примесью г В3+ Все эти работы носили чисто экспериментальный характер и скорее проявили трудности их создания,и ни один из них не нашел практического применения в конкретной радиоприемной системе.
За последние 15-20 лет было сделано много открытий в астрофизике и большинство из них выполнены методами радиоастрономии, благодаря высокой чувствительности приемной аппаратуры, вследствие применения в них, в частности, КПУ. Так, например, фундаментальное открытие современной астрофизики - обнаружение реликтового (аномального) фона космического излучения, температура которой оценивается около 3,5 К, было сделано в 1965 г. при помощи радиометра с КУБВ на входе [73].
Квантовые усилители с успехом используются при важнейших
- ЗІ -
космических экспериментах, для дальней космической связи, а также при советско-американских совместных работах по радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами, которые получили интенсивное развитие при изучении компактных радиоисточников с малыми угловыми размерами. Известно, что разрешающая способность таких радиоастрономических инструментов очень высока (менее тысячной доли угловой секунды), но для эффективной работы РСДБ необходимо применять приемную аппаратуру с максимально возможной чувствительностью. Поскольку максимальная частота записываемых сигналов не превышает несколько МГц, то повышение чувствительности приемной аппаратуры путем увеличения ширины полосы принимаемых сигналов здесь ограничены, поэтому единственной возможностью является использование в них КПУ* обладающих минимальной температурой шума.
Были выполнены такие совместные наблюдения на волне 3,5см в 1971 г. на межконтинентальном радиоинтерферометре с базой СССР-США длиной около 10 тыс.км [74, 75] .В 1976 г. были проведены эксперименты с РСДБ на волне 1,35 см при расположении радиотелескопов на трех континентах: в СССР, в США и в Австралии [76]. Наименьшей температурой шума обладал радиотелескоп РТ-22 КрАО, в котором использовался советский КУБВ.
В конце 60-х годов в ряде областей Галактики в диапазоне волн 1,25-1,35 см были зарегистрированы спектральные линии радиоизлучения молекул водяного пара и аммиака. При этом линия паров воды на длине волны 1,35 см, как правило, была необычайно узкой ( го десятки КГц), а природа их излучения основывалась на "мазерном" эффекте вынужденного излучения в космических неравновесных (инвертированных) системах.
Оснащением радиотелескопов РТ-22 ФИАН и КрАО АН СССР квантовыми усилителями в диапазоне 1,25-1,35 см [46, 77] началось планомерное их исследование у нас в СССР. В диапазоне 1,35 см на радиотелескопе РТ-22 КрАО была реализована общая шумовая температура системы 120 К (в зависимости от состояния атмосферы). Флуктуационный порог чувствительности радиометра с КПУ составлял во время наблюдений в непрерывном спектре около 0,04 К в полосе пропускания 25 МГц и постоянной времени X = I сек. Такая чувствительность радиотелескопа была достаточной для уверенной регистрации при одном прохождении даже радиоизлучения Урана, плотность потока излучения которого равна ~ 0,5»10~"^т/м Гц [78, 79j . Высокая чувствительность приемной аппаратуры в этих диапазонах волн позволила провести на радиотелескопах РТ-22 много актуальных радиоастрономических исследований также и в непрерывном спектре [78, 79, 80] .
Из других разработок КПУ в этом диапазоне необходимо отметить работы [62, 813 . В одной из них [81] описывается КУЕВ на рубине, который нашел практическое внедрение на различных радиотелескопах США для проведения спектральных наблюдений "мазерних источников" на волне 1,35 см. Этот усилитель отличался весьма широкой перестройкой по частоте ^ 20$ с усилением 23 дБ и полосой пропускания 30 МГц, при рабочей температуре 4,2 К. Шумовая температура всей системы с радиотелескопом равнялась 80 К.
В другой, [62] приводятся данные о КУЕВ на рутиле, который также нашел широкое применение в Швеции в экспериментах по РСДБ на волне 1,35 см. Параметры этого усилителя - G = 30 дБ; A j = ЗО-г-60 МГц получались при понижении температуры ван-
ны до 2 К. Шумовая температура КПУ составляла 27 К.
1.3. Квантовые усилители нового поколения - с диэлектрическим замедлением волны в образце.
Как отмечалось выше, для реализации квантового усилителя, наряду с активным веществом, немаловажное значение имеет электродинамическая структура, где происходит взаимодействие волн сигнала и накачки с парамагнитным веществом. До сих пор обсуждались те работы, где в качестве электродинамической структуры используются объемные резонаторы в режиме стоячей волны (РКУ) и периодические замедляющие структуры в режиме бегущей волны (КУЕВ). В КУЕВ, как известно, взаимодействие происходит за счет замедления групповой скорости распространения в различных замедляющих системах. Но возможно осуществить замедление волны и другим способом - уменьшением коэффициента распространения за счет диэлектрической постоянной в самом образце. Эта идея сама по себе не нова, но развитие она получила только в последние годы в связи с поиском новых путей создания высокоэффективных электродинамических систем для КПУ.
Привлекательность этого метода заключается в том, что такая система очень проста в изготовлении (нет замедляющей структуры, как в КУЕВ) и можно получить усиление с широкой полосой пропускания, а при хорошем согласовании с линией, перестройку в очень большой полосе частот, создавая пространственно распределенные магнитные поля. Правда, ранее, в теоретических работах [3, 82, 83, 84] предусматривалось увеличение коэффициента замедления более эффективным -заполнением замедляющей структуры
активным веществом. И даже были осуществлены конструкции таких КУБВ с подобным комбинированным замедлением [81, 84]. Более усовершенствованными прототипами явились созданные квантовые усилители на волноводно-диэлектрических структурах (ВДС), частично или полностью заполненные активным веществом [58, 62, 69, 85], где усиление происходит в режиме бегущей волны, а обратная волна максимально ослабляется. Но во всех этих работах утверждалось о необходимости либо замедляющей структуры с невзаимным ферритовым элементом, либо только ферритового элемента.
Первые сообщения о реализации квантового усилителя, основанного на диэлектрическом замедлении волны с отражением, лишенного всех перечисленных недостатков, поступили сравнительно недавно из-за рубежа [86]. Несмотря на то, что КПУ был сконструирован для работы со спектрометром ЭПР, он показал, что такое решение задачи открывает путь к созданию новой серии волновод-ных КПУ, которые могут найти самое широкое применение, в том числе и в радиоастрономических наблюдениях в непрерывном спектре. КПУ представлял собой лишь отрезок волновода, заполненного активным веществом - рубином, согласованный со стандартным волноводом. В 3-см диапазоне волн, на длине рубинового стержня 20 см, от двух идентичных каскадов, было получено усиление ^ 20 дБ при рабочей температуре 4,2 К. Полоса усиления составляла 25 МГц, а перестройка осуществлялась в интервале I ГГц. Шумовая температура всей системы КПУ с приемником составляла 95+10 К, из них ^ 35 Е были обусловлены потерями во входных цепях, а ^ 25 К вносил супергетеродинный приемник с балансным смесителем.
Почти одновременно и независимо от этой работы, в СССР,
был осуществлен КПУ, основанный на принципе диэлектрического замедления волны в рубине в диапазоне 1,35 см, автором и его научным руководителем [87*]. В этом усилителе, в качестве электродинамической системы взаимодействия полей излучения с веществом, использован согласованный отрезок волновода, заполненный рубином и закороченный с одной стороны. Низкий коэффициент замедления и, следовательно, маленькое значение коэффициента усиления на единицу длины кристалла компенсируется двукратным прохождением волны, в прямом и обратном направлениях. Применение двух аналогичных отрезков позволило получить 23-25 дБ усиления при мгновенной полосе пропускания 50-ї-бО МГц. Этот усилитель имеет полосу перестройки более 6 ГГц. Одним из преимуществ, выгодно отличающий его от других типов КПУ, является тот факт, что указанные параметры усилителя были получены при мощности накачки ЗО-й-0 мВт на каскад, в то время, как в КУБВ с замедляющей структурой, на ту же волну, требуется мощность накачки примерно на порядок больше. Впоследствии этот усилитель был установлен на радиотелескопе РАТАН-600 и теперь он входит в спектрометрический комплекс радиотелескопа, как основное приемное устройство на волне 1,35 см, для проведения радиоастрономических наблюдений мазерных источников.
Позднее, совершенствуя конструкцию и применив охлаждаемые циркуляторы на входе КПУ, в США была создана целая серия таких усилителей с превосходными характеристиками, добиться которых другими типами квантовых усилителей было невозможно.
Первый из этой серии усилителей имел полосу пропускания 240 МГц при коэффициенте общего усиления 30 дБ в диапазоне частот 18,3-26,6 ГГц [88, 89]. Усилитель состоял из четырех идеи-
тичяых каскадов (4-х отрезков волновода, заполненных рубином), выполненный в единой конструкции с блоком охлаждаемых циркуля-торов. Такая удачная конструкция позволила получить очень низкую шумовую температуру всей системы КПУ, равной 13,5±2 К. Столь широкая полоса пропускания была получена, используя линейную расстройку магнитного поля вдоль образца, в комбинации с частотной модуляцией накачки. Установленный на 43-метровой антенне Национальной Радиоастрономической Обсерватории в Грия-Бэнке, с помощью этого КПУ была достигнута шумовая температура всей системы не хуже 73 К (включая вклад атмосферы).
Более усовершенствованный вариант этого усилителя, который превосходил предыдущий по всем основным параметрам, сообщался в работе [90] . Полоса пропускания была доведена, в среднем по диапазону, до 500 МГц. Усиление колебалось от 27 дБ до 31 дБ в диапазоне частот 19,5*24 ГГц. Шумовая температура этого усилителя менялась в пределах от 9,5±4 К до 13,5±4 К в диапазоне 18,5*25 ГГц. Установленный на той же антенне усовершенствованный усилитель позволил довести шумовую температуру всей системы до 35 К. (в ясную погоду).
Самой последней из серии этих работ является экспериментальная работа [91] , посвященная возможности создания таких усилителей на более высоких частотах. На частоте 43 ГГц, на единичном каскаде было получено 8 дБ чистого усиления в полосе пропускания 180 МГц. Измеренная шумовая температура усилителя оказалась равной 14 К.
Все приведенные данные свидетельствуют о том, что потенциальные возможности квантовых усилителей с диэлектрическим замедлением волны в образце выше, чем у остальных типов КПУ, вклю-
чая и КУЕВ. Применяя частотную модуляцию накачки при внесении определенной неоднородности во внешнее магнитное поле, уменьшая усиление на каскадах при увеличении числа каскадов, можно достигнуть полосы пропускания до I ГГц. Это открывает новые возможности при применении КПУ в радиоастрономии для наблюдений в непрерывном спектре и в радиометрах миллшлетровых волн, как широкополосные УПЧ.
Квантовые усилители нового поколения - с диэлектрическим замедлением волны в образце
Первые успехи применения резонаторних квантовых усилителей здесь и далее по тексту звездочкой [ ] отмечены работы автора дециметровых воля в радиоастрономии привели к интенсивному развитию и совершенствованию разработок в этой области. Продолжался поиск как новых материалов в качестве активных элементов, так и принципиально новых устройств КПУ, обладающих требуемыми для практического применения высокими эксплуатационными параметрами (большим усилением, достаточно широкой полосой пропускания, предельно малыми шумами, высокой стабильностью и надежностью и т.п.). В результате были созданы квантовые усилители в широком диапазоне длин волн - от дециметровых до миллиметровых, обладающие необходимыми требуемыми характеристиками.
Наиболее эффективными и получившими практическое применение в действующих радиоприемных системах сантиметрового и миллиметрового диапазонов волн являются квантовые усилители бегущей волны - КУБВ.
Основным преимуществом КУБВ является то, что благодаря поглощению отраженной волны невзаимным ферритовым элементом, помещаемым внутри замедляющей структуры, регенеративные эффекты в них практически полностью подавлены, что делает усилитель нечувствительным к рассогласованию входных и выходных импедансов. Ввиду нерегенеративного характера усиления стабильность коэффициента усиления и полоса пропускания КУБВ при большом усилении оказываются значительно больше, чем в резонаторном КУ. Первые разработки таких усилителей были выполнены почти одновременно с резонаторними как за рубежом [37, 38, 39, 40] , так и у нас в СССР [41, 42, 43] . В качестве активного вещества во всех этих усилителях использовался розовый рубин.
В отличие от зарубежных разработок [37, 38] , где максимальное усиление получалось при откачке паров гелия до 1,8 К, наши отечественные усилители [42, 43] выбором более эффективной накачки на переходе -( (вместо і ) имели коэффициент инверсии в 2-3 раза больше, тем самым во столько же больше коэффициент усиления, при 4,2К (характерные параметры наших усилителей были: (j =25 дБ, Д { =26 МГц).
Впоследствии в Советском Союзе под руководством профессора В.Б.Штейншлейгера была создана целая серия КУ бегущей волны на рубине, начиная от 8 см [44] и кончая 8 мм-ами [45, 46, 47], которые нашли широкое применение в радиоастрономических исследованиях, PCДБ и ДКС.
Появление квантовых усилителей бегущей волны было важным шагом в развитии квантовых усилителей. Благодаря таким достоинствам, как отсутствие регенерации, широкополосность, достаточно большой коэффициент усиления, простота перестройки в широком диапазоне частот, высокая амплитудная и фазовая стабильность КУБВ делают их почти идеальным предусилителем в радиометрической системе с точки зрения реализации предельно малой величины собственных шумов системы.
К числу недостатков КУБВ относятся:сложность технологии изготовления замедляющих систем, необходимость создания достаточно однородного магнитного поля в больших объемах, большие линейные размеры рабочего вещества и, соответственно, большие мощности вспомогательного излучения. Последняя, в свою очередь, приводит к более высоким требованиям к системе охлаждения рабочего вещества.
Первые радиоастрономические наблюдения с применением КУБВ были начаты в СССР на волне 8см в 1963 году [44]. Общая шумовая температура радиотелескопа с КУБВ была равна 120 К. Собственная шумовая температура усилителя при этом была 15 К (при коэффициенте усиления 20 дБ и полосе пропускания 20 МГц). Достигнутая флуктуационная чувствительность при постоянной времени
Х- 3,2 сек составляла Д \ = 0,03 К. Чувствительность смесительного приемника при той же постоянной времени была Л I = 0,27 К, то есть применение КПУ повысило чувствительность в раз. Высокая чувствительность и стабильность работы радиометра с КУЕВ позволила провести наблюдения в непрерывном спектре покрытия Луной радиоисточяиков Телец А и 3G273. Наблюдалось также радиоизлучение от планеты Юпитер и Галактики М-82.
Астрономы давно предсказывали о наличии других линий излучения в радиодиапазояе, в частности, о линии радиоизлучения возбужденного водорода. Возбужденный водород более тесно связан со звездами, чем нейтральный,и поэтому излучение такой линии могло бы дать важные дополнительные сведения о строении Галактики и окружающей нас Вселенной. Но первые попытки не увенчались успехом из-за недостаточной чувствительности приемной аппаратуры. Это стало возможным только в 1964 году у нас в СССР под руководством Р.Л.Сороченко с помощью специально разработанного нулевого спектрального радиометра [48] , а также при использова- , нии в приемной системе КУ бегущей волны [49] . Установленная на 22-метровом радиотелескопе ФИАН СССР приемная аппаратура на волне 3,4 см [48] позволила обнаружить излучение линии возбужденного водорода, обусловленного переходами между атомными урв-нями 91 и 90 с интенсивностью 0,65±0,3 К по температуре антенны, на частоте 8872,5±0,3 МГц.
Немного позднее о наличии такой радиолинии на волне 5 см подтвердили наблюдения другой группы советских ученых с применеяием на входе радиометра КУЕВ [49] и снять ее профиль в Туманности Омега. КУЕВ работал при температуре жидкого гелия 4,2 К, с коэффициентом усиления (jr = 25 дБ, при полосе пропускания Л S - 26 МГц и перестройкой на 150 МГц. Нестабильность усиления не превышала 0,05 дБ за 10 сек. Измеренная суммарная шумовая температура радиометра с КПУ составляла 32 К, из которых 18 К приходились на шумы супергетеродинного балансного приемника, пересчитанные на вход КПУ. Общая шумовая температура системы П6 К. Флуктуациояная чувствительность радиометра с КПУ была равной Д j = 0,035 К при полосе 20 МГц и постоянной времени Т =3,5 сек. Полоса анализа радиоспектрометра была равна для двух циклов наблвдений 5,5 МГц и 3,5 МГц, соответственно.
Повышение эффективности кристаллов рубина в КПУ путем частотной модуляции накачки
Оценки коэффициента усиления на единицу длины кристалла из рутила, аналогичные тем, которые были сделаны для рубина, дают для ВДС частично заполненного диэлектриком случая Go Ю дБ/см. А в работе [85], в практически реализованном КПУ аналогичной конструкции на рутиле и на частоте 15,7 ГГц измерения показывают величину 2 дБ/см, при температуре 4,2 К. Следовательно, без применения специальных геометрических замедляющих структур, которые резко увеличивают коэффициент замедления системы, доводя их от 50 [46] до 400 [82],. разница в факторе замедления не так велика, а следовательно, в итоге ненамного отличаются и усиления у этих кристаллов на единицу длины. И если учесть, что большие значения анизотропной и зависящей от температуры диэлектрической постоянной рутила создают сложности при конструировании и согласовании СВЧ узлов, вполне оправдывается целесообразность применения рубина, который обладает чрезвычайно низкими вносимыми потерями как по сигналу, так и по накачке в волноводно-диэлектрических структурах. Кроме этого, большая диэлектрическая постоянная рутила создает определенные трудности при изготовлении и обработке образцов для КПУ, поскольку в одно-модовом режиме распространения поперечные размеры кристаллов на этой частоте становятся очень малыми.
Вопрос оценки необходимой мощности накачки для насыщения переходов накачки имеет немаловажное значение при выборе активного вещества для КПУ в коротковолновом сантиметровом диапазоне поскольку, как отмечалось выше, имеются пока технические трудности по созданию электронных приборов достаточной мощности в миллиметровом диапазоне волн, куда попадает требуемая частота накачки.
Основным фактором, ограничивающим применение рубина на коротких сантиметровых и, в особенности, миллиметровых длин волн, когда Обм и ( О = /2ІЗ = 11,5 ГГц), является небольшое начальное расщепление уровней энергии и малая вероятность индуцированных переходов между уровнями накачки (для рубина 0"н2 = 0,07, когда \-\ - компонента вч поля накачки перпендикулярна магнитному полю) [81]. Для получения усиления на этих частотах, естественно, требуются сравнительно большие (8 17 КГс) магнитные поля. А с увеличением магнитных полей, как известно, из-за небольшого начального расщепления рубина состояния становятся чистыми и любые AWl I переходы становятся запрещенными. И поскольку вероятности зависят от параметра o/Qftn » очевидно, что значения вероятностей сильно падают, уровни не инвертируются и тем самым ограничивают реализацию КПУ на этих частотах.Но они вполне компенсируются длинными временами спин-решеточной релаксации (СЕР), так как мощность, необходимая для насыщения этих уровней, зависит от параметра СН2 j , а у рубина более чем на порядок выше, чем у остальных парамагнитных кристаллов. У рубина это ограничение для сигнальных частот имеет место выше 40-50 ГГц [81]. Подтверждение тому-успешно реализованные квантовые усилители в сантиметровом и миллиметровом диапазоне волн на рубине [31, 47, 91].
Минимальная мощность накачки, необходимая для нарушения равновесного состояния спиновой системы в рубине, равна ЗмВт [81]. Время СРР для рубина, измеренная при данной ориентации ( Q = 54,7) и данной концентрации ионов Сг3+( 0,04%) многими авторами, лежит в интервале 60 100 мсек [99, 100, 101] . Благодаря столь длинным временам релаксации, для накачки КПУ на рубине требуются сравнительно небольшие мощности. Достаточным пределом для обеспечения полного насыщения является, как правило, несколько десятков милливатт.
Аналогичные требования для рутила оказываются гораздо превосходящими, чем у рубина, так как времена СРР у рутила составляют всего лишь 1 3 мсек [102, 1033 . В сантиметровом и длинноволновой части миллиметрового диапазонов для эффективной работы КПУ на рутиле с г G при ориентации Н 11Q » наиболее приемлемой является схема накачек с использованием в качестве сигнального перехода - нижний вяутридублетный переход 1-2, Для накачки используются схемы с двухчастотной накачкой, которые значительно эффективнее одночастотной и показывают наилучшие коэффициенты инверсии. Необходимая мощность насыщения переходов накачки (1-3) + (3-4) или (1-3) + (3-5) для инвертирования сигнального перехода 1-2, становится более 100 мВт [62] , к тому же частота накачки лежит уже намного выше, чем у рубина, в интервале 60-70 ГГц, в недостаточно освоенном СВЧ-техникой диапазоне. Кроме этого, при двухчастотной накачке возникают дополнительные проблемы стабильности и перестройки КПУ, поскольку две совершенно разные частоты накачки должны быть предельно застаби-лизированы относительно друг друга, а перестройка по частоте должна происходить строго синхронно.
Одним из основных параметров, определяющих усилительные свойотва активного вещества - площадь усиления, является ширина линий ЭПР. Шириной линии и степенью ее неоднородного уширения обуславливается также такой важный для КПУ параметр, как мощность накачки.
В симметричной схеме, наиболее эффективной в рубине,для усиления в коротком сантиметровом диапазоне переходы сигнала и накачки являются междублетными. В работах [104, I05J проводились экспериментальные и теоретические исследования ширины линий ЭПР ионов Сг3+Б рубине. Ширина линий ЭПР междублетных переходов для рубина, измеренных при концентрации ионов Сг3+Г 0,04$ и ориентации Q =54,7, из литературных данных дают одно и то же значение 60 МГц [57, 81, 97]. Но ширина линий ЭПР междублетных переходов определяется, в основном, качеством кристаллов. Из наших экспериментов по рубину выяснилось, что кристаллы, выращенные по Вернейлю, имеют много случайных дефектов и блочностей, приводящих как к разбросу локального кристаллического поля, так и разориентации оси симметрии по объему кристалла, и, как следствие, к неоднородному уширению линии ЭПР этих переходов.
Волноводный квантовый усилитель с диэлектрическим замедлением волны на А = 1,35 см
Если в КПУ дециметрового и длинноволновой части сантиметрового диапазонов рубин нашел самое широкое применение, то на более высоких частотах он считался малоперспективным ввиду небольшого начального расщепления в нулевом магнитном поле. Впервые об успешном использовании рубина в квантовом усилителе бегущей волны в этом диапазоне, а именно на 8 мм, было сообщено в работе [47] . Из-за небольшого значения начального расщепления рубина использование его в КПУ на коротких волнах ( 3 см) затрудняется тем, что при требуемых яапряжеяностях магнитного поля ( п 4000 Гс) энергетические состояния становятся почти чистыми при любых ориентациях кристалла и в соответствии с этим разрешенными становятся индуцированные переходы лишь между соседними уровнями. Это приводит к тому, что вероятности резко падают и для получения инверсии населенностей уровней уже тре-буютоя сравнительно большие мощности накачки. Это обстоятельство накладывает определенные требования при выборе конкретной конструкции усилителя, с точки зрения эффективного взаимодействия полей усиливаемого сигнала и накачки с веществом.
Квантовое усиление на волне 1,35 см (22,2 ГГц) в четырехуровневой спиновой системе рубина можно осуществить по различным схемам накачки в двух ориентациях магнитного поля 0 = 90 и Q = 54,7. Для нас представляет интерес схема инверсии, где сигнальным является переход 3-4, а в качестве накачки используется переход 2-4 в Q - 90 ориентации, хотя такая схема накачки не обеспечивает инверсию на частоте 22 Иц. Однако подробное рассмотрение этой схемы показало [Юш , что при учете кросс-релаксации указанная схема накачки может обеспечить инверсию на частоте 22 ГГц, причем инверсия достигается при минимальном значении магнитного поля ( Н0 = 6000 ") и минимальном значении частоты накачки на переходе 2-4 ( + = 40,5 ГГц). Другим немаловажным преимуществом этой схемы по сравнению со схемами в симметричной ориентации является то, что при Q = 90 угловая зависимость ЭПР спектра минимальна и имеющийся в кристаллах рубина разброс направления оптической оси не приводит к заметному уширеяию линий ЭПР.
Усилитель на волне Д = 1,35 см был осуществлен на двух активных резонаторах Г32 , 33 , 34 ] . Размеры активных рубиновых резонаторов с полным заполнением были определены при помощи уравнения [3] .
Размеры резонаторов предполагали условие возбуждения в них колебаний Н о по сигналу, а по накачке - более высокие типы колебаний. Размеры резонаторов, рассчитанные по формуле (ЗД), затем уточнялись с учетом изменения диэлектрических прояицаемос-тей кристалла при охлаждении и влияния отверстий связи с волноводами по сигналу и накачке. При охлаждении в гелии резонансные частоты резонаторов систематически увеличивались на 150+200 МГц. Так как объем резонаторов был небольшим, резонансные частоты сильно зависели от размеров отверстий связи, поэтому последние подгонялись отдельно для каждого резонатора. Окончательные размеры резонаторов в действующем усилителе на волне д =1,35 см составляли: для кристалла й I: Ct = 3,23 мм; D = 1,77 мм; С = 2,67 мм, для кристалла В 2: Q = 3,23 мм, о = 1,77 мм; С = 2,66 мм.
Образцы рубинов серебрились толщиной 5-6 мкм и включались в тракт сигнала пришиванием на боковые стенки стандартного волно-вода сечением II х 5,5 мм . За плоскостью включения резонаторов стоял короткозамыкающий поршень, с помощью которого осуществлялось изменение связи резонаторов с трактом сигнала. Связь между резонаторами подбиралась путем небольшой расстройки резонаноных частот. Накачка в резонаторы подавалась через отдельные волноводы, снабженные на стыке с резонаторами широкополосными согласованными переходами с малыми потерями. Переходы были заполнены сапфиром, с размерами 2 х 1,8 миг в плоскости связи с резонаторами, и согласовывались с незаполненными волноводами сечением 7,2 х 3,4 мм при помощи регулировочных винтов. Такая конструкция трактов накачки обеспечила хорошее согласование резонаторов по накачке. Волноводы накачки над верхней капкой криостата через волно-водно-щелевой мост соединялись с генератором накачки. Эскиз СВЧ головки усилителя и схема включения резонаторов в тракт сигнала и накачки приведены на рис. (3.1). Рабочие режимы усилителя были отработаны на обычном электромагните, а затем в усилителе был применен сверхпроводящий магнит, который по своим свойствам иммитировал бесконечный соленоид. Для этого с торцов соленои-дальной катушки перпендикулярно к ее оси устанавливались две пластины из низкоуглеродистой стали. Эти пластины обеспечивали зеркальное отображение магнитных силовых линий. При этом достигалась высокая однородность магнитного поля. Поперечное сечение катушки составляло 30x25 мм . Его можно было бы еще уменьшить подбором более удачной компановки СВЧ головки. Число витков катушки из сверхпроводящей проволоки марки Т-60 составляло 980. Необходимое магнитное поле на месте расположения резонаторов достигалось при токах до 20А. Характеристики усилителя измерялись при помощи обычного супергетеродинного приемника, УПЧ которого имел центральную частоту 80 МГц с полосой пропускания 30 МГц.
Спектральный приемник на волну 1,35 см в составе с ВКУ и исследование его основных характеристик
Выход любого из спектральных приемников может подключиться к анализатору с помощью переключателя ПСП, при этом к выбранному СП подаются сигналы управления от СПУ-І и напряжение опорной частоты от СОЧ. Анализатор спектра АС-30-40 (рис. 4.5) фильтрового типа имеет 40 спектральных каналов (СК1 СК40) с полосами пропускания 30 КГц, узкополосный канал сравнения (УК) с полосой пропускания 600 КГц и широкополосный канал УПЧ (Ж) с полосой пропускания 10 МГц (последние два канала называются радиометрическими) .
Спектральные каналы, частоты настройки которых разнесены через 30 КГц, образуют полосу анализа шириной 1,2 МГц. Узкополосный канал сравнения отстоит на 2 МГц выше по частоте от центра полосы анализа и предназначен для вычитания уровня сплошного спектра в режиме спектральных измерений по методу двойного сравнения [121]. Одновременно этот канал используется для измерения интенсивности сплошного спектра. С помощью широкополосного канала измеряется интенсивность излучения во всей полосе приема 0010 МГц. Он также может использоваться в качестве канала сравнения.
Все указанные каналы формируются из широкополосного. Разделение мощности по каналам осуществляется распределительным устройством (РУ). На входе РУ имеется электрически управляемый модулятор (MAC),с помощью которого можно модулировать коэффициент передачи сигнала от УПЧ к РУ. Это дает возможность работать по методу импульсной компенсации [122]. Таким образом может производиться модуляция коэффициента усиления УПЧ. Кроме того, во всех каналах предусмотрена ручная и дистанционная (электрически управляемая) регулировка усиления.
На выходе каналов производится квадратичное детектирование (Д) сигналов, после чего низкочастотные составляющие (в полосе до 3 КГц) подаются на соответствующие каналы выходного устройства. Выходное устройство ВУО-42 имеет 4-2 канала, из них 40 -спектральных и 2 - радиометрических. Все каналы идентичны и выполнены по схеме "широкополосный усилитель низкой частоты - синхронный детектор - интегрирующий фильтр - усилитель постоянного тока".
На входе каждого канала ВУС-42 имеется сумматор, в котором может производиться вычитание (сравнение) двух разнополярных сигналов модуляции. При этом во всех ВУ-СК из соответствующих сигналов спектральных каналов вычитается общий сигнал сравнения, получающийся путем инвертирования сигналов с выходов УК и ШК.
Имеются команды ( Кс и Кр ), поступающие от СПУ-І, позволяющие дискретно (четыре позиции) изменять коэффициент усиления соответственно в спектральных и радиометрических каналах, а команды (Т ) - постоянные времени (три позиции) выходных интегрирующих фильтров во всех каналах ВУС-42. После синхронного детектирования сглаженные интегрирующими фильтрами сигналы усиливаются по постоянному току и поступают на коммутатор КК-42, последовательно подключающий каналы ВУС-42 к системе сбора данных, с которой КК-42 связан также сигналами импульсного управления.
Система сбора данных ССД-І состоит из следующих основных функциональных узлов: АЦП типа АК-2, устройства управления сбором данных (УУСД), устройства ввода и хранения служебной информации (УВСИ), вторичные электронные часы (ВЭЧ) и устройства отображения информации (УОЙ).
ССД-І выполняет следующие функции: автоматический пуск устройства СПУ-І и ССД-І по выбранной минуте наблюдения,управление всеми узлами ССД-І и связанными с ними внешними устройствами, прием и хранение служебной информации, прием сигналов службы времени, преобразование аналоговых сигналов в Ю-разряд-ный двоичный код (данные наблюдений), вывода кодов служебной информации и данных наблюдений в блок передачи данных на ЭВМ, отображение передаваемой информации на экране осциллографа для визуального контроля и т.д.
Система программного управления СПУ-І обеспечивает полную автоматизацию стандартного процесса спектральных наблюдений.Все операции для исполнения от СПУ-І записываются на управляющую перфоленту и с нее вводятся в блок программного управления (БПУ) фотосчитывающим устройством. Коды команд управления режимами работы и параметрами спектрометра при считывании с перфоленты передаются через БПУ во входные регистры блоков дистанционного управления (БДУ) и управления радиометрическими каналами (БУР), где они хранятся до следующей смены режима.
Программа стандартного наблюдения (СПН), разработанная для спектрометра, работающего по методу двойного сравнения, включает в себя 13 последовательно сменяющих друг друга участков измерений (файлов) с определенным чередованием четырех основных режимов работы: калибровочные, контрольные и собственно рабочее наблюдение. Рабочее наблюдение всегда выполняется в режиме "Спектрометр".
При обработке на ЭВМ по калибровочным участкам производится температурная калибровка сигналов на рабочей записи во всех каналах, а по контрольным - коррекция сигналов за разбаланс в спектральных каналах.
Похожие диссертации на Волноводный квантовый усилитель на волне 1,35 см для радиоастрономических исследований
