Full resolution (JPEG) - On this page / på denna sida - 1958, H. 2 - Molekylarförstärkare för mikrovågor, av Bertil Peterson
<< prev. page << föreg. sida << >> nästa sida >> next page >>
Below is the raw OCR text
from the above scanned image.
Do you see an error? Proofread the page now!
Här nedan syns maskintolkade texten från faksimilbilden ovan.
Ser du något fel? Korrekturläs sidan nu!
This page has never been proofread. / Denna sida har aldrig korrekturlästs.
Molekylarförstärkare för mikrovågor
Förste forskningsingenjör Bertil Peterson,
Försvarets Forskningsanstalt, Stockholm
This paper is intended to serve as an introduction
to the fast expanding field of microwave
amplification by molecular processes. After a brief review,
concerning the fundamental relations in a molecular
system, the saturation, gain, bandwidth and noise
of a Maser-amplifier is considered in some detail.
Finally the different excitation methods, used to
bring a molecular system into an emissive,
amplifying state, are described in parallel with the
construction of the most promising types of molecular
amplifiers. As an example of the great potentialities
of such an amplifier, it may be mentioned, that a
device with a paramagnetic salt can be tuned between
100 and 100,000 Mc and have a gain of 10 dB
at a bandwidth of 10 Mc. Noise figures about 0.06 dB
are achieved but the output power is so far limited
to the order of microwatts.
Vid förstärkning eller generering av mikrovågor
enligt konventionella metoder överföres
likströmseffekten hos en elektronstråle till högfrekvenseffekt
genom att elektronerna på lämpligt sätt bromsas upp
i ett högfrekvensfält. Man talar här om interaktion
mellan hf-fält och elektroner. Det är emellertid också
möjligt att få interaktion mellan ett hf-fält och
oladdade partiklar såsom molekyler och atomer. Detta är
ett sedan länge känt faktum inom
mikrovågsspektro-skopin, där de första försöken utfördes omkring 1933.
De fortsatta arbetena på detta område har lett till
ingående kännedom om molekylernas olika
energitillstånd, men alla experiment har baserats på
absorptionsmätningar. Först 1954 lyckades Gordon, Zeiger
och Townes påvisa ett emissionsspektrum från
ammoniak. Denna upptäckt var av grundläggande
betydelse för mikrovågsspektroskopin men öppnade
samtidigt helt nya vägar för generering och förstärkning
av mikrovågor. Man kan med hjälp av dessa
molekylära processer erhålla synnerligen frekvensstabila
oscillatorer eller förstärkare med mycket låg
brusfaktor. Gordon, Zeiger och Townes kallade sin apparat,
som kunde användas både som oscillator och
förstärkare, för maser, vilket är en förkortning av
"Microwave Ampification by Stimulated Emission of
Radiation". Begreppet maser har sedan utvidgats till
att gälla alla förstärkare och oscillatorer, som
baseras på interaktionen mellan molekyler och
högfrekvensfält. En alternativ och måhända allmännare
benämning vore molekylarförstärkare.
Om man för enkelhets skull antar, att molekylerna
i en gas kan befinna sig i endast två olika
energitillstånd, ett energirikare och ett energifattigare, kan
man förutsäga vissa resonansfenomen i gasen vid en
539.1 : 621.375.9.029.6
frekvens, som bestämmes av differensen mellan dessa
båda energinivåer. Ett högfrekvensfält kommer vid
denna resonansfrekvens att inducera övergångar
mellan de båda nivåerna. En molekyl i det lägre
energitillståndet absorberar en viss hf-energi och övergår
till det högre energitillståndet, medan en molekyl,
som övergår från en högre till en lägre energinivå,
avger samma energi till hf-fältet. Sannolikheten för
dessa båda övergångar är lika stor, varför frågan,
om man får nettoabsorption eller nettoförstärkning,
helt bestämmes av, om största antalet molekyler från
början befinner sig i det lägre eller högre
energitillståndet. Det naturliga tillståndet hos ett
molekylsystem, dvs. då systemet är i termisk jämvikt, är
emellertid absorptivt (absorptionsbenäget) och
förstärkning kan sålunda endast erhållas, sedan
molekylsystemet genom någon excitationsmetod överförts till
det labila emissiva tillståndet (emissionsbenäget).
Detta antyder alltså att pulsad drift är naturlig för
en molekylarförstärkare (pulskvoten vanligen ca
0,5), men det finns även varianter för kontinuerlig
drift. I fortsättningen skall visas, att det ofta är
metoderna för excitering, som karaktäriserar olika
masertyper.
På sista tiden har den s.k. "solid-state masern"
tilldragit sig största intresset. Det aktiva
molekylsystemet utgöres här av ett paramagnetiskt salt, och
bortsett från att detta måste kylas ner till mycket låg
temperatur, med hjälp av flytande helium, är
anordningens konstruktion mycket enkel.
Problemet, att få en molekylarförstärkare att arbeta
vid rumstemperatur, tycks ha blivit lös-t i början på
år 1957. Det är fråga om en förstärkare, som består
av ett ferromagnetiskt material, och den
kännetecknas av att vara den enda hittills kända
maservarianten, som relativt sett bör kunna lämna höga effekter.
Som exempel på maserns stora möjligheter kan här
nämnas, att en paramagnetisk förstärkare kan tänkas
vara avstämbar mellan 100 och 100 000 MHz, ha en
förstärkning av 10 dB vid 10 MHz bandbredd samt
en brusfaktor av 0,06 dB. Uteffekten är av
storleksordningen mikrowatt.
Egenskaper hos ett molekylsystem
Molekylens energitillstånd
Den inre energin hos en molekyl är ej godtycklig
utan kan endast antaga ett enda av ett antal diskreta
värden. Detta förhållande, som innebär att
molekylens inre energi är kvantiserad, har sedan länge
varit experimentellt påvisat. Givetvis förekommer
ingen kvantisering av molekylens kinetiska eller po-
ELTEKN I K 1958 XI
<< prev. page << föreg. sida << >> nästa sida >> next page >>
