3.2 Квантовый парамагнитный усилитель

Квантовым парамагнитным усилителем (КПУ) называют устройство, в котором увеличение энергии электромагнитной волны происходит за счет индуцированного излучения при парамагнитном резонансе вещества, находящегося в состоянии с инверсией населенностей квантовых уровней. Усиленные колебания на выходе КПУ сохраняют частоту, поляризацию и направление распространения по отношению к входному сигналу.

В качестве активного вещества в КПУ используют кристаллы: рубина, рутила (TiO₂), вольфраматов магния, цинка, кадмия, активированных хромом, железом и др. атомами, которые в кристаллах становятся трехвалентными ионами. Чаще используется рубин Al₂O₃:Cr³⁺.

Выбор рабочих энергетических уровней в рубине во многом зависит от рабочей частоты усилителя. В диапазоне волн 3…5 см (6…10ГГц) чаще всего используются четыре энергетических уровня кристалла рубина, ориентированного относительно внешнего магнитного поля под углом в Θ=54°44' (рисунок 7). Энергетическая накачка ведется одновременно на переходах 1→3 и 2→4, частоты которых равны ν₁₃=ν₂₄ в широком диапазоне изменения магнитного поля В (метод двойной накачки). При этом заселяется верхний уровень Е₃ рабочего перехода 3→2 и обедняется его нижний уровень Е₂.

Рисунок 7 – КПУ на кристалле рубина: четырёхуровневая схема накачки	Рисунок 8 – КПУ на кристалле рубина: трёхуровневая схема накачки

Такой метод накачки позволяет получить инверсное состояние системы при условии, что частота накачки будет больше частоты сигнала ν₁₃>ν₃₂), а не больше удвоенной частоты сигнала, как это требуется при использовании трехуровневой схемы накачки. Таким образом, при рабочей частоте 6…10ГГц в качестве генератора накачки может быть использован, например, клистронный генератор с частотой f ≥ 12…20ГГц.

На более длинных волнах (λ>5см; ν<6 ГГц) чаще всего используют системы из трех рабочих уровней при ориентации кристалла относительно поля В под углом Θ=90°. На рисунке 8 показаны рабочий переход 4→3 и вспомогательный переход накачки 1→4 или, что то же самое 2→4, так как в слабом магнитном поле уровни Е₁ и Е₂ практически сливаются. Как видно из рисунка, ΔЕ₁₄>2ΔЕ₄₃ и ν₁₄>2ν₄₃. Этот режим выгоден возможностью использования слабого магнитного поля, порядка от 200 до 700Гаусс.

Известны несколько типов конструкции КПУ: резонаторные усилители, которые в свою очередь делятся на резонаторные КПУ проходного и циркуляторного типов, а также КПУ бегущей волны.

4 Ядерный магнитный резонанс

ЦЕЛЬ РАЗДЕЛА (МОДУЛЯ): знакомство с явлением ядерного парамагнетизма и методами создания на его основе квантовых ЯМР устройств

Ядерным магнитным резонансом (ЯМР) называется явление резонансного поглощения электромагнитной энергии веществом, обусловленное явлением ядерного парамагнетизма. Это явление, подобное явлению электронного парамагнетизма (см., раздел 3), возникает для атомов, содержащих ядра с полуцелым спином, обладающих магнитным моментом, и состоит в переориентации магнитных моментов ядер во внешнем постоянном магнитном поле. У ядер, имеющих спин I=¹/₂ћ (₁H, ₁₃C, ₁₅N, ₁₉F, ₂₉Si, ₃₁P) в магнитном поле с индукцией В₀ (рисунок 9) возможны две ориентации магнитного. дипольного момента ядра: "по полю" и "против поля", в результате чего вырождение уровня (g=2) снимается, возникают два уровня энергии, расщепление которых относительно вырожденного состояния пропорционально величине внешнего магнитного поля (эффект Зеемана). Между этими уровнями при постоянном значении В₀ разрешены квантовые переходы: “снизу вверх” – с поглощением, а “сверху вниз” – с испусканием кванта ΔЕ =hν.

Таблица 1. Резонансные частоты различных атомных ядер

ядро	Ларморова частота при 0,5 Тесла, МГц	Ларморова частота при 1 Тесла, МГц
1H (Водород)	21,29	42,58
2D (Дейтерий)	3,27	6,53
13C (Углерод)	5,36	10,71
23Na (Натрий)	5,63	11,26
39K (Калий)	1,00	1,99

Спектр ЯМР регистрируют с помощью радиоспектрометра (рисунок 9,б). Резонанс на определенной частоте указывает на наличие в исследуемом веществе соответствующих ядер. При анализе сложных спектров используются методы двойного и тройного резонанса, двумерной и многомерной фурье-спектроскопии, импульсные методы и др.

а – уровни энергии ядра в магнитном поле; б – схема ЯМР эксперимента: 1 – исследуемое вещество, 2 – полюсы постоянного магнита, 3 – катушка модуляции поля, 5 – в.ч.генератор, 6 – детектор, 7 – генератор модулирующего напряжения

Рисунок 9 – Ядерный магнитный резонанс

Методы ЯМР применяются для анализа структуры веществ в физике, химии, медицине (магнитно-резонансная томография): для индикации присутствия тех или иных атомов (ядер) в человеческих органах. Объект помещается в постоянное магнитное поле и подвергается действию радиочастотных и градиентных магнитных полей. В катушке индуктивности, окружающей исследуемый объект, возникает переменная э.д.с., амплитудно-частотный спектр которой и переходные во времени характеристики несут информацию о пространственной плотности резонирующих атомных ядер. После обработки на ЭВМ эта информация превращается в ЯМР-изображение, которое характеризует плотность химически эквивалентных ядер, времена релаксации ядерного магнитного резонанса, распределение скоростей потока жидкости, диффузию молекул и биохимические процессы обмена веществ в живых тканях.