гии шумов излучения стенок резонатора. На основании этого определены спектральная плотность флюктуацион-ной энергии в резонаторе с регенерированным феррито-вым образцом и коэффициенты шума ФУ для режимов А и Б. Из [39, 40] можно установить, что для решения задачи получения минимального коэффициента шума более перспективным является использование ФУ, работающего в режиме Б.

Выражение для температуры шума ФУ, работающего в режиме Б, при специальном подборе типов магнито-статических колебаниях может быть представлено в виде

QcB \fA.,yfh

6Q<

Qi (Гфу)

Д(7Фу)

I/ J

ФУ>

(3.80)

где QcB - добротность связи, характеризующая степень связи ферритового образца с резонатором;

Qi{Ty) - собственная добротность резонатора на частоте сигнала в зависимости от температуры ФУ; IyI = 1,76-10 рад1э-сек\ gr/gf p - величина, характеризующая близость системы к порогу параметрического возбуждения колебаний в резонаторе с ферритом; в дальнейшем для упрощения расчетов примем ее равной 1;

[g/, отношение разностной частоты к сигнальной (для вырожденного режима f2/fi = l); Я, -длина волны сигнала накачки; для расчетов можно принять Wo-l; Гфу- рабочая температура ферритового усилителя;

ДЯ(Гфу)- половина ширины линии ферромагнитного резонанса ферритового образца как функция от рабочей температуры; 7-0=293° К.

После упроп1ения выражение для Гш ферритового усилителя, работающего в вырожденном режиме, может быть представлено в виде

Как видим, при изменении температуры величина Гщ зависит от величины рабочей температуры Гфу, а также от величины Qi и ДЯ при данной Гу. Остальные члены выражений (3.80) и (3.81) от рабочей температуры ФУ не зависят. В связи с этим рассмотрим некоторые температурные зависимости АН (Гу) и QiTy) при

охлаждении ФУ до низких температур- Более подробно низкотемпературные свойства ферритов описаны в гл. 6.

Величина АН в монокристаллах иттриевых феррит-гранатов, наиболее подходящих для использования в ФУ, обусловливается наличием нескольких разновидностей релаксационных процессов. Их влияние на величину АН является весьма сложным, так как в зависимости от диапазона частот и интервала температур преобладают процессы различного вида. Этим можно объяснить, что до сих пор нет окончательной формулы, связывающей АН с параметрами материала и справедливой в широком диапазоне частот и температур вплоть доО°К.

Основное влияние на увеличение АН монокристаллов при охлаждении ферритов до низких температур оказывают релаксационные процессы, обусловленные наличием ионов редкоземельных примесей и ионов двухвалентного железа Fe+2. При этом с ростом частоты [44] низкотемпературный максимум АН смещается в область более низких температур. Таким образом, основным условием получения реального материала с малой и стабильной величиной АН при охлаждении является использование чистого исходного сырья и правильной технологии изготовления, обеспечивающей исключение двухвалентного железа Fe+.

Теоретически в идеальном феррите величина АН определяется взаимодействием спиновых волн в образце, а это приводит к зависимости величин ДЯ от температуры. Для ферритов с малой энергией анизотропии зависимость ДЯ от Г выражается в виде [36]

К1, jj-Afo /(j-AfoV/s Г

где ц-магнитная проницаемость феррита; 12* 179 -

Mo - намагниченность насыщения; 9с-температура Кюри;

кЬа ~ 10- эрг;

h - постоянная Планка; Г - температура среды. Для ферритов с большой энергией анизотропии величина АЯ пропорциональна (Г/6с), т. е. имеет место еще более резкая зависимость от температуры.

Однако формула (3.82) справедлива лишь в небольшом диапазоне частот, т. е. при условии

. 47tAf о

(3.83)

где Яо - внешнее магнитное поле;

/( - константа кристаллографической анизотропии.

Экспериментально снятая зависимость ширины линии 2ДЯ от температуры для оптически полированного моно-

2йН,э

20 50 77,8 150 200 250 T,°Y.

Рис. 3.18. Зависимость 2ЛЯ иттрии-желези-стого граната от температуры.

кристалла иттрий-железистого граната в виде сферы на частоте 9300 Мгц представлена на рис. 3.18. Для этого образца использовалось чистое исходное сырье - окись иттрия с содержанием примесей менее 10-, что в настоящее время является вполне достижимым. Для сравнения напомним, что для полупроводниковых приборов

- 180 -

используются материалы с чистотой 10 . Как видно из графика, величина 2ДЯ во всем интервале температур не превышает величины 0,4 э. Ход кривой 2ДЯ=/(Гфу) наглядно показывает сложный характер влияния релаксационных процессов на величину 2ДЯ. Тем не менее из графика видна общая тенденция уменьшения 2АЯ при снижении температуры, подтверждающая характер зависимости выражения (3.82). Действительно, 2ДЯ уменьшается от 0,4 э нри 300° К до 0,15 э при ji

4,2° К. Этот общий характер зависимости нарушается лишь низкотемпературным всплеском 2ДЯ при 50- 100° К, по-видимому, также обусловленным примесями.

Сказанное выше дает основание считать величину 2ДЯ примерно постоянной во всем интервале температур и ориентироваться при расчетах на величины 2ДЯ вплоть до 0,3- 0.4 э как реально достижимые.

Как уже отмечалось, при глубоком охлаждении ряда ме-

150 100

60 50 0 30

20 75

Z0 50 77,8100 150 ZOO 250 Гфу, К

Рис. 3.19. Зависимость Гш ферритового усилителя от окружающей температуры:

/ - при ДЯ=1 э; г -при ДЯ=0.6 з; 3-

при ДЯ=0,3 э; ----при (3 = 200;

----при Q = 100.

таллов (серебра, меди и др.) зависимость их электрического удельного сопротивления от температуры становится нелинейной. Удельное сопротивление этих металлов при температуре ниже температуры Дебая может резко падать вследствие уменьшения рассеяния на фононах, что дает возможность при специальной технологии изготовления резонаторов получить эффект роста собственной добротности Q, (гл- 1). Однако в ряде случаев этому будет препятствовать внешнее магнитное поле.

с учетом изложенного проанализируем зависимосгь температуры шума ФУ при его охлаждении. Результаты расчетов по формуле (3.81), приведенные на рис. 3.19, относятся к ФУ, работающему в диапазоне 5 см (/i== = 6- 10 гц), резонатор которого имеет собственную добротность Qi = 2000 при 7=293° К. Графики построены для значений 2АЯ= 1 э; 0,6 5 и 0,3 э (соответственно кривые ], 2 и 3) и для значений Qcb = 200 и ilOO (соответственно сплошные и пунктирные линии).

Как видно из рис. 319, при температуре жидкого азота Тш может иметь величину порядка 20-40° К, а при температуре жидкого водорода или неона Гш снижается до величины менее 10° К при 2ЛН = 0,3-4-0,4 э и Qcb= =4 00- 200.

При анализе не учитывались шумы, вызванные спонтанным электромагнитным излучением из образца вследствие взаимодействия регенерированных и упругих колебаний в феррите. Как показано Моносовым Я. А., это явление срывает усиление при непрерывной накачке и может привести к увеличению шумов, если не принять необходимых мер.

Возможность осуществления ФУ с мощностью накачки менее 1 вт доказана сравнительно недавно. Выражение для определения пороговой мощности накачки в резонаторе с ферритовым образцом согласно [42] запишется как

5,0.3-10Q л.р

(3.84)

где Qh - добротность резонатора на частоте накачки; Vp - объем резонатора, см; о) - частота накачки; hnop - амплитуда порогового магнитного поля в образце.

Полное выражение для Лш)? является весьма сложным.

С известным приближением, учитывая порядок величин, входящих в выражение для йдор, можно показать, что

(3.85)

где м= y43iMo; 4лМо - намагниченность насыщения; (Oi - частота сигнала; Я - внешнее постоянное магнитное поле; а, Ь, с п d - коэффициенты, зависящие от индексов используемых магнитостатических типов колебаний и соотношений частот н, o)i, ©2

и (ОМ-

Принимая во внимание (3.84) и (3.85), получаем зависимость отношения мощности накачки Р (5 фу) к мощности Рпо при Г = 293°К от Гфу;

МГфу) ЗоЯГфу)

(3.86)

Как следует из экспериментов, A-KAig для иттриевого феррит-граната монотонно возрастает ог 1750 гс при 293 К до 2340 гс при 77,0°К и до 2 480 гс при 4,2°К. С учетом этого и низкотемпературной зависимости АЯ и ;Q построен гра-

1,0 \

фик Р (ГфуУ/Р (Го) (рис. 3.20) как функции от Г ФУ при работе ФУ с магнитостати-ческими колебаниями и при М1 г(02. Как видно из графика, при Гфу = = 77,8° К мощность накачки можно снизить более чем в 5 раз, а при Гфу =21-28° К - в 15 раз.

0,6 0,5

0,3 0,25 0,2

0,15 0,1

Таким образом, ис- о,08

следование свойств ферритовых усилителей при низких температурах позволит создать новые полезные в радиотехнике приборы.

0,05 О

го 50 77,в

200 250 Гф,к

Рис. 3.20. Влияние охлаждения па мощность накачки ферритового усилителя.