Étude d'un maser à rubis

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Submitted on 1 Jan 1961

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Étude d’un maser à rubis

M. Soutif

To cite this version:

M. Soutif. Étude d’un maser à rubis. J. Phys. Radium, 1961, 22 (12), pp.841-842. �10.1051/jphys-

rad:019610022012084101�. �jpa-00236597�

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RÉFÉRENCES

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[3] ^BERTAUT (E. F.), ^{C. R. Acad.} Sc., 1961, 252, 207 ;

J. Physique ^Rad.

[4] ^MORIYA (T.), Phys. Rev., 1960,120, 91.

[5] ^MORIYA (T.), Phys. Rev., 1960, 117, 635.

[6] ^BOZORTH (R. M.), ^KRAMER (V.) et REMEIKA (J. P.), Phys. Rev., Letters, 1958, 1, ^3.

[7] ^BOZORTH (R. M.), Phys. ^Rev. Letters, 1958, 1, ^362.

[8] ^TUROV (E. A.), ^{C. R. Acad.} Sc., Paris, 1961, 252, 3420.

[9] ^BERTAUT (E. F.), ^sous presse.

ÉTUDE D’UN MASER A RUBIS Par M. SOUTIF,

Laboratoires d’Électrostatique ^et Physique ^du Métal,

Grenoble.

Une équipe ^mixte comprenant ^un assistant de la

Faculté, J. Galland et trois ingénieurs de la S. A. C. M.,

R. Buisson, ^{R. Chicault et D.} Descamps, ^a systéma- tiquement étudié dans le cadre du laboratoire les condi- tions du fonctionnement des masers à rubis travaillant dans la bande « S » de fréquence signal, ^{soit autour}

de 3 000 MHz.

Le principe ^de fonctionnement de tels amplificateurs

est bien connu et l’usage ^{du rubis a été} développé grâce ^{aux travaux des « Bell} Telephone Laboratories » et de l’Université de Stanford [1]. Le niveau fonda- mental de l’ion chrome dans une matrice d’alumine

conduit, ^en présence ^d’un champ magnétique çon- tinu Ho, ^à quatre niveaux dont l’espacement dépend

à la fois de Ha ^{et de} l’angle ^{0 entre} Ho ^{et l’axe} trigonal

du champ cristallin. Grâce à une irradiation suffi- samment intense à la fréquence ^{de résonance de la}

transition 2 --> 1, ^{il est} possible (à ^{très basse} tempé- rature) de rendre égales ^les populations ^{des deux}

niveaux correspondants. ^{Ce «} pompage » peut ^conduire

à une inversion des populations ^{de 1 et 0 et} par suite

à une amplification ^{à la} fréquence correspondante,

avec un facteur de bruit extrêmement faible qui ^confère

un grand ^{intérêt à ce} dispositif.

Le problème ^était d’amplifier ^un signal très faible à

une fréquence ^{de 3 000 MHz. La} fréquence ^de pompage choisie ^a été 9 000 MHz pour des raisons de commodité

d’appareillage.

Une disposition convenable des niveaux (fige 1) ^est

obtenue lorsque ^{l’axe 0 du cristal et le} champ magné- tique appliqué Ho ^{font un} ange petit, compris ^{entre 0}

et 120 suivant la valeur exacte de la fréquence signal

et pour des valeurs de Ho voisines de 1 000 Oe.

FIG. 1.

L’échantillon est placé ^{dans une cavité résonnante} qui ^doit présenter le minimum de perte ^{à son accord}

sur la fréquence signal ^{et dont le} couplage ^{à cette}

même fréquence ^{doit être} ajustable pour permettre ^de régler ^le gain ^de l’amplificateur. En raison de son

faible encombrement, ^une cavité semi coaxiale a été

choisie, ^le couplage ^avec le coaxial d’alimentation étant obtenu _par une boucle magnétique ^{de surface}

variable ( fig: 2).

1 FIG, 2.

La surtension propre de la cavité ^est de 8 000 à l’ambiante et de 12 000 à la température de fonction- nement dans l’hélium liquide. ^Le résonateur est égale-

ment accordé sur la fréquence de pompage, ^ce qui permet ^{d’assurer une} saturation complète ^{de la tran-}

sition 1-2 avec des puissances de pompage de l’ordre de 20 mW ; ^un couplage ^{variable avec le} guide ^d’onde

est obtenu grâce ^{à un iris et une antenne dont l’enfon-}

cement est commandé par ^un excentrique.

Plusieurs auteurs [2] ^ont observé que le fonction- nement Maser ne pouvait pas être obtenu pour ^un

assez grand ^{nombre de} configuration ^de niveaux théori-

quement acceptables ^{dans la bande de} fréquence signal

de 2 800 à 3 200 MHz. Ils ont attribué ce défaut-à des

phénomènes de cross-relaxation entre transitions dont

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:019610022012084101

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les fréquences ^{seraient entre} elles dans des rapports plus ^ou moins élevés. Pour l’étude systématique ^{de ce} phénomène, nous avons pu ^montrer que si le Maser ne

fonctionnait que dans certaines configurations ^de niveau, ^{c’est au} contraire parce qu’il intervient alors

des phénomènes ^de cross-relaxation beaucoup plus simples qui ^{sont cette fois} bénéfiques pour l’ampli-

fication [3, 4]. Ainsi, ^par exemple, lorsque ^{la tran-}

sition 3 ^- 2 de la figure ¹ égale approximativement

celle de 2 -> 1 (pompage) ^et, bien que le pompage direct 3 - 2 soit interdit par les règles ^de sélection, ^la

cross-relaxation provoque ^{des retours de 1 vers 2}

accompagnés ^{de montées de 3 vers 2} qui équivalent

à un véritable, pompage ^{de 3 vers 2 avec} égalisation

des trois populations ^de 1, 2 ^{et 3. On} peut ^{alors montrer}

que l’excès de population disponible pour l’amplifi-

cation est quatre ^fois plus élevé que dans le ^cas clas-

sique ^{à 3 niveaux} [3].

L’utilisation de ce phénomène impose ^{une condition} supplémentaire qui peut être satisfaite à condition de

jouer ^{à la fois sur} Ho, ^{0 et la} fréquence de pompage ^et définit les conditions optima ^de fonctionnement. Cepen- dant, ^{il existe une assez} large plage ^de .réglage ^autour

de ces valeurs, grâce ^au fait que la condition de ^cross- relaxation v23 = v21 n’est qu’approximative, ^une

certaine différence ^entre les deux énergies pouvant être absorbée par des réarrangements ^des spins ^entre

eux avec échange d’énergie ^{vers le réseau.}

Pour mieux définir les conditions de cross-relaxation,

nous avons étudié les valeurs du temps de relaxation T1 spin-réseau de la transition 2 --> 1 (à ^{9 000} MHz) ^en

fonction de la disposition ^{des niveaux.} Lorsque ^la posi-

tion du niveau 3 est convenable, T1 ^chute brusquement

à cause de l’apparition ^{de ce} deuxième processus de

FIG. 3.

relaxation. Ce phénomène ^est naturellement très sen-

sible à la concentration en ions Cr : il joue très peu ^et reste négligeable ^devant Tl ^{si les} spins ^sont trop éloignés ^{les uns des} autres, mais ^{il se} complique ^au

contraire de cross-relaxations secondaires défavorables

lorsque la concentration est trop grande. ^{Nous avons}

observé un. optimum pour ^un dopage ^de 0,07 % ^en

ions. La figure ^{3 montre le} temps ^{de retour à la normale}

d’un signal ^{saturé à} 4,2 ^{OK en} absence de cross-rela- xation (T1 ~ ¹⁵⁰ ms) ^{ou en} présence (T1 ~ ²⁰ ms).

Les performances propres du Maser ^sont dans ces

conditions intéressantes. Elles se caractérisent par ^une valeur du produit ^du gain ^{en tension} par la bande passant ^de 12,5 ^{MHz à} 1,5 ^{oK et une} température équivalente de bruit de l’ordre de 65 oK.

Section du Sud-Est, Lyon.

Séance du 19 mai 1961.

BIBLIOGRAPHIE

[1] ^CHANG (W. S.) ^{et SIEGMAN} (A. E.), Stanford Electronics Lab. Technical Report, 156-2, 1958).

[2] ^AHERN (S. A.), ^GOULD (P. A.) et WALLING (J. C.),

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[4] ^BUISSON (R.), ^CHICAULT (R.), ^DESCAMPS (D.), ^GALLAND (J.) ^{et SOUTIF} (M.), ^{C. R. Acad.} Sc., 1961, 252, ^2197.

POTENTIEL ET FONCTIONS D’ONDE DE MOLÉCULES DIATOMIQUES

EN DEHORS DES CAS CLASSIQUES

Par R. GRANDMONTAGNE,

Institut de Physique Générale de l’Université de Lyon.

Les travaux du Pr J. Janin [1] ^ont permis ^de photo- graphier les bandes du système ^B2 LJ ^{- X2} 03A3+g ^de N+

jusqu’au ^nombre quantique de vibration v

24. Le

potentiel de l’état inférieur suit bien la loi de Morse V

D [1

exp (- ax)2] ^{dont la} fonction d’onde est connue

L’état supérieur ^{s’en écarte} nettement [2] dès que v est supérieur ^à 5. Des études ont donc été entreprises

pour ^tenter d’obtenir des fonctions d’onde correctes en

dehors des cas classiques (harmonique ^ou Morse).

La première partie du travail consiste à rechercher la courbe de potentiel ^à partir ^{des termes} spectraux expérimentaux. L’application ^du principe ^{de Franck-}

Condon n’ayant pas donné satisfaction ; ^{on a} utilisé,

la quantification de l’action préconisée par Rydberg [3]

On dessine une courbe approchée (de Morse) ^{et’ on}

évalue graphiquement ^{l’aire :}

qu’on ^{sait être} égale ^à (v + 1/2)h. ^{La mesure} graphique

n’étant pas ^en accord avec la théorie il faut corriger.

Les tâtonnements nécessaires sont considérablement réduits par ^une méthode suggérée par R. Eido [4]. ^On

assimile les arcs de courbe _y

VE - ^{V à des arcs de} paraboles ^{et on} calcule aisément la correction de l’abscisse d’un point ^à partir de la différencie entre l’aire théorique ^et l’aire mesurée. Une deuxième appli-

cation est rarement nécessaire, La valeur absolue de la