книги / Сверхвысокие частоты. Основы и применения техники СВЧ

Опять-таки можно пока только догадываться, каков механизм этого длинноволнового радиоизлучения плане­ ты Юпитер. Наиболее вероятным его объяснением яв­ ляется то, что Юпитер, подобно нашей Земле и, по-ви­ димому, многим другим планетам, окружен радиацион­ ными поясами, т. е. скоплением заряженных частиц, удерживаемых магнитными полями; вероятно, за счет отклонения частиц в магнитных полях и излучаются ра­ диоволны. Такое представление находит серьезное экспе­ риментальное подтверждение в том, чго радиоизлуче­ ние Юпитера, наблюдаемое на частоте 960 Мгц, в зна­ чительной степени линейно поляризовано и приходит из областей, размеры которых в три раза превышают ди­ аметр планеты. Оба факта говорят о том, что причиной длинноволнового радиоизлучения может являться синхротронное или циклотронное излучение радиационных поясов. Наблюдаемые радиовсплески также соответству­ ют представлению о их возникновении в результате дей­ ствия синхротрониого механизма.

г) Связь радиоастрономии с другими отраслями науки и техники

Радиоастрономия, кроме астрономии и астрофизики, обогатила знаниями и другие отрасли науки. Так, суще­ ствует взамная связь радиоастрономии с ионосферными (геофизическими), метеорологическими и, возможно,да­ же с биологическими процессами (например, увеличе­ ние скорости роста под действием радиоизлучения Солн­ ца). Не в последнюю очередь мы хотим указать на принципиальное значение радиастрономии для космиче­ ских исследований или космической техники. Радиоаст­ рономические исследования создают предпосылки для будущих космических полетов, давая, как показывает, например, радиоизлучение планет, сведения о темпера­ турных условиях на других планетах и о наличии во­ круг них радиационных поясов. Для астронавтов зна­ ние обоих факторов имеет фундаментальное значение. С другой стороны, радиоастрономическая приемная тех­ ника тесно связана с развитием космической связи и радиолокации. Всякое достижение в одной из этих от­ раслей влечет за собой дальнейшее развитие каждой из двух других.

VIII

РАДИОСПЕКТРОСКОПИЯ

Важную роль играет применение сверхвысоких ча­ стот в исследовании строения атомов и молекул, а также при химическом анализе газов. Эта отрасль фи­ зики и техники носит название СВЧили радиоспектро­ скопии. Известно, что атомы газов характеризуются строго определенными энергетическими состояниями, между которыми под действием электромагнитного из­ лучения осуществляются квантовые переходы. Смотря по тому, происходит в атоме или молекуле квантовый переход из состояния с более высокой энергией Е2 в состояние с энергией Еi более низкой или наоборот, из­ лучение либо испускается, либо поглощается. Погло­ щение или испускание излучения происходит в соответ­ ствии с квантовым соотношением

(испускаемого или поглощенного). Чем «глубже» про­ никновение в структуру материи, тем большей становится разница между соседними энергетическими уровнями и тем более высокие частоты или энергии кванта (фотона) требуются, чтобы осуществить взаимодействие с материей. Например, разнице между соседними энер­ гетическими состояниями во внешней электронной обо­ лочке атома порядка 2,5 эв соответствуют кванты ви­ димого света. Затем для взаимодействия с внутренними слоями атомной оболочки и тем более с ядром атома требуются рентгеновские или уФ 0Т0НЫ» имеющие значительно большую энергию. В случае СВЧ кванты

Л/=1,24‘ 10-4 эв. Хотя эта энергия по абсолютному зна­ чению очень мала, все же по порядку величины она

212

равна минимальной разнице энергий квантовых уров­ ней в атомах и молекулах. СВЧ-спектроскопия позво­ ляет измерять очень малые разности энергий и на ос­ нове этих измерений проводить исследование атомов

имолекул.

1.Радиоспектроскопы

Впротивоположность оптической спектроскопии, ко­ торая исследует строение атомов и молекул, в случае радиоспектроскопии речь идет об исследовании погло­ щения газами квантов, энергия которых соответствует диапазону сверхвысоких частот. Рис. 102 показывает

Рис. 102. Простейший радиоспектроскоп.

принцип действия простого СВЧ-спектроскопа, предназ­ наченного для измерения линий поглощения в газах. Обследуемый газ напускается при низком давлении в предварительно откачанный волновод. На одном конце волновод возбуждается частотномодулированным сиг­ налом измерительного СВЧ-генератора (отражательный клистрон). На другом конце волновода сигнал прини­ мается, выпрямляется детектором, усиливается и по­ дается на вертикально отклоняющие пластины осциллографической трубки. Пилообразное напряжение, под­ водимое к паре пластин горизонтального отклонения электронного луча, одновременно используется для мо­ дуляции частоты отражательного клистрона; таким об­ разом, горизонтальное отклонение электронного луча на экране осциллографа оказывается пропорциональ­ ным частоте СВЧ-сигнала. Чтобы получить высокую

213

точность, клистрон стабилизируется по частоте и све­ ряется со стандартом частоты.

Процесс измерения состоит в том, что всякий раз, когда частота СВЧ-сигнала в волноводе совпадает с резонансной частотой поглощения газа, происходят по­ глощение СВЧ-энергии и вызванное этим ослабление сигнала на выходе детектора. Последнее выражается в отклонении электронного луча по вертикали, так что получается осциллограмма так называемой временной функции или кривой частот поглощения; она позволяет определить положение спектральной линии в спектре частот, ее геометрическую форму и интенсивность. С по­

на частота поглощения.

Чтобы получить высокую чувствительность измере ния, частоту поглощения газа на СВЧ модулируют до­ полнительным переменным электрическим полем, вы­ зывающим эффект Штарка в газе. Модуляция за счет эффекта Штарка осуществляется с помощью прямо­ угольных импульсов напряжения, следующих с частотой 100 кгц. Сигнал, имеющий частоту модуляции, усили­ вается селективным усилителем и после детектирования подается на регистрирующее устройство. Такие радио­ спектроскопы могут измерять на СВЧ линии поглоще­ ния очень малой интенсивности. Из-за узкополосности усилителя сигналов штарковской модуляции частота от­ ражательного клистрона должна качаться достаточно медленно. Поэтому повышение чувствительности спек­ троскопа связано с потерями в быстродействии (скоро­ сти измерения). Частоту поглощения определяют срав­ нением ее с обертонами кварцевого генератора. При этом достигается точность порядка 1*10~6 и выше. Ра­

диоспектроскоп такой или аналогичной конструкции мо­ жет применяться вплоть до самых коротких волн, дли­ ной в десятые доли миллиметра (субмиллиметровые волны). Они могут быть получены, например, умноже­ нием частоты основной волны отражательного клист­ рона при использовании полупроводниковых диодов. Хотя мощность гармоник очень мала, она достаточна для того, чтобы можно было проводить исследование поглощения в газах по описанному методу в области субмиллиметровых волн.

214

2.Спектры вращ ения

Вспектрах поглощения СВЧ-сигнала в газах су­ щественную роль играют прежде всего квантовые пе­ реходы между соседними вращательными уровнями мо­ лекул. Наиболее простые соотношения получаются для двухатомного газа. Согласно законам квантовой меха­ ники энергия вращения двухатомной молекулы может принимать лишь совершенно определенные значения:

Здесь /., — момент инерции молекулы относительно оси, перпендикулярной линии, связывающей атомы. Вели­ чина / = О, 1, 2 , .. носит название квантового числа; h — постоянная Планка. Квантовые переходы могут осуществляться только между соседними энергетиче­ скими состояниями. Ротационное квантовое число мо­ жет уменьшаться только на 1 (соответствует испуска­ нию излучения) или возрастать также только на 1

(излучение поглощается). Для разрешенного перехода разность энергий между двумя энергетическими со­ стояниями равна

Поэтому для частоты f испускаемого или поглощаемого излучения получается

стоянная молекулы. Тот факт, что осуществляется по­ глощение излучения, а не эмиссия, объясняется тем, что в состоянии термодинамического равновесия всегда бы­ вает занято больше уровней с низкой энергией, чем с высокой, так что в среднем происходит больше пере­ ходов с нижних уровней на верхние, чем в противопо­ ложном направлении. Правда, в некоторых случаях (молекулярный усилитель, или мазер) можно искус­ ственно создать энергетические состояния с инверсной населенностью и получить тогда испускание излучения; однако сейчас нас интересуют пока лишь процессы по­ глощения.

21 5

На рис. 103 схематически представлен ротационный спектр поглощения двухатомной молекулы, который со­ стоит из серии равномерно расположенных (эквиди­ стантных) линий поглощения, отстоящих один от дру­ гого на отрезок 2В. Поглощение, соответствующее той или иной линии, увеличивается от линии к линии про­ порционально квадрату частоты. Ротационную постоян­ ную В можно определить, если измерить частоты по­ глощения двух соседнихспектральных линий. Если

массы обоих атомов из­ вестны, то величина 2 В

показывает, как далеко отстоят атомы один от другого. Находясь на та­ ких равновесных рас­ стояниях, атомы могут совершать также колеба­ ния около положения равновесия. Это движе­ ние атомов приводит к появлению колебательно­ го спектра. Однако соот­

ветствующие ему частоты поглощения располагаются, вообще говоря, не в СВЧ-диапазоне, а в инфракрасной области. Если известно точное значение ротационного квантового числа /, достаточно измерить только однуединственную частоту поглощения, чтобы получить ро­ тационную постоянную молекулы.

Если речь идет о многоатомной молекуле, все ато­ мы которой лежат на одной прямой, то ее спектр по­ глощения имеет такой же вид, как и для молекулы, атомы которой располагаются не на одной прямой, а симметрично относительно некоторой оси симметрии. Несимметричные молекулы, напротив, образуют очень сложный спектр, поскольку из-за наличия разных мо­ ментов инерции для каждой из трех осей вращения по­ является очень много возможностей перехода между энергетическими состояниями.

Знание чисто ротационного спектра позволяет опре­ делять моменты инерции молекул с точностью, суще­ ственно большей, чем в случае сложных ротационно­ колебательных спектров в инфракрасной области. Д а­ лее, при известных межатомных расстояниях и массах

2 16

атомов можно получить и валентные углы. Большим преимуществом радиоспектроскопии по сравнению с инфракрасной является ее чрезвычайно высокая раз­ решающая способность, которая в десятки тысяч раз лучше, чем в инфракрасной области. В противополож­ ность инфракрасной спектроскопии, в случае которой вращательные спектры молекул обычно накладываются на колебательные спектры и наблюдаются в виде со­ вокупности более или менее широких непрерывных спектральных полос, в СВЧ-диапазоне чаще всего по­ лучаются лишь отдельные линии поглощения. При этом их ближайшие окрестности совершенно свободны от других спектральных линий. Соседние линии ротаци­ онного СВЧ-спектра располагаются так далеко одна от другой, что не могут одновременно наблюдаться с по­ мощью того же самого радиоспектроскопа.

3. Инверсионные спектры

Другой тип СВЧ-спектров поглощения выявляется при переходах атома между двумя равновесными

Рис. 104. Молекула NH3:

а —два возможных состояния; б-кривая потенциальной энергии.

положениями в молекуле. Известнейший пример пред­ ставляет в этом смысле молекула аммиака NH3, она

имеет три атома водорода (Н), расположенных в вер­ шинах углов равностороннего треугольника (рис, 104, а).

217

Атом азота имеет два стабильных положения: одно сверху, а другое снизу по отношению к плоскости, про­ ходящей через атомы водорода. За счет квантово-меха­ нического туннельного эффекта атом азота может про­ никать сквозь потенциальный барьер «водородной» плоскости и таким образом менять одно стабильное по­ ложение на другое; это и есть инверсия, которая приво­ дит к расщеплению энергетических уровней (рис. 104,6). Соответственно двум возможным равновесным состоя­ ниям атома азота каждый уровень энергии расщеп­ ляется на два. Инверсионная частота для такой пары уровней с наинизшей энергией соответствует длине

Рис. 105. Инверсионные СВЧ-спектры молекулы NH3 при вы соком разрешении.

Смотря по тому, вращается молекула вокруг своей оси симметрии или вокруг оси перпендикулярной ей, атомы водорода оказываются снаружи или внутри. Бла­ годаря этому образуется потенциальный барьер и энер­ гетическое состояние незначительно изменяется, что и выражается в инверсионных спектрах поглощения мо­ лекулы NH3.

Симметричные перескоки атомов азота между двумя положениями равновесия аналогичны движению маят­ ника часов. На основе этого механизма можно постро-* ить молекулярные часы высокой стабильности.

218

4. Р асщ еп лен и е спектральны х линий

а) Эффекты Штарка и Зеемана

Эффектом Штарка называют расщепление спек­ тральной линии газа под влиянием электрического поля. Предпосылкой для появления эффекта Штарка является то, что молекулы имеют электрический дипольный мо­ мент, который может вступить во взаимодействие с элек­ трическими полями. Явление Штарка наблюдается как для оптических линий излучения, так и для поглощения СВЧ-линий. Оно дает возможность установить, какому из ротационных квантовых состояний должна соответ­ ствовать определенная спектральная линия. Из штарковского расщепления можно, кроме того, определить дипольный момент и его направление относительно оси молекулы.

Если вращающаяся молекула имеет магнитный мо­ мент, то расщепление спектральной линии может про­ изойти благодаря воздействию магнитного поля. Это явление известно как эффект Зеемана. Молекулы с ди­ польным магнитным моментом являются парамагнит­ ными молекулами, как, например, О2, N 0, СЮг, ОН и

CS, а также свободные радикалы. Расщепление линии зависит от направления магнитного поля относительно вектора магнитной напряженности волны электромаг­ нитного излучения, которое молекула испускает или поглощает. Определяя величину зеемановского расщеп­ ления, можно измерять магнитное поле, создаваемое вращением молекулы. Для некоторых молекул эти маг­ нитные поля достаточно сильны, так что уже слабое магнитное поле Земли вызывает расщепление, наблю­ даемое в СВЧ-спектрах.

б) Изотопический сдвиг

Другой причиной расщепления спектральных СВЧлиний является изотопическое смещение. Изотопы од­ них и тех же элементов имеют разные массы, а моле­ кулы с различными изотопами в своем составе — раз­ ные моменты инерции; им, естественно, соответствуют и различные частоты поглощения. Поэтому из разности частот их линий поглощения можно определить соот­ ношение масс изотопов.

219

в) Влияние атомных ядер

Расщепление СВЧ-линий поглощения может быть вызвано, наконец, влиянием атомных ядер. Атомное яд­ ро имеет, вероятно, не строго шарообразную, а продол­ говатую относительно оси вращения форму или же сплюснутую в виде эллипсоида вращения. Такая гео­ метрическая структура связана с асимметричностью распределения заряда ядра, выражающейся в появле­ нии электрических (положительных или отрицательных) квадрупольных моментов. Квадрупольный момент ядра может вступить во взаимодействие с электронами атом­ ной оболочки соответствующей молекулы и влияет по­ этому на ее вращение. Этот эффект приводит к сверх­ тонкому расщеплению СВЧ-линий поглощения. Спектры со сверхтонкой структурой могут осуществляться для тех молекул, ядерный спин которых больше Уг. По ин­ тенсивности, положению линий и расстоянию между ни­ ми, которые измеряются с высокой точностью, можно определить спин и квадрупольный момент ядра. Сверх­ тонкое расщепление может быть вызвано и влиянием магнитного момента атомных ядер. Оно может возни­ кать, с одной стороны, благодаря тому, что магнитный момент ядра вступает во взаимодействие с магнитным моментом молекулы, с другой стороны, потому, что маг­ нитные моменты ядер одной молекулы взаимодействуют между собой.5

5. Ширина линии

Чтобы можно было наблюдать в диапазоне сверхвы­ соких частот спектр сверхтонкой структуры, давление газа в волноводной измерительной камере должно быть достаточно низким. При повышении давления газа про­ исходит расширение линии, пока, наконец, ее полуши­ рина не станет больше расстояния между двумя сосед­ ними лиииямй. Тогда вместо ряда раздельных тонких линий наблюдают более или менее широкую кривую по­ глощения. В то время как для спектральных линий оп­ тического спектра ширина линии определяется эффектом Допплера, причина уширения линии на СВЧ заключается в том, что при атмосферном давлении частота соударе­ ний молекул становится сравнимой с частотой СВЧ-

220