ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

01

Результат выполнения научно-исследовательской работы.

Способ предназначен для измерения отрицательной абсолютной температуры, определяемой как параметр в распределении Больцмана, оптически активной среды лазера или мазера с тепловым возбуждением. Способ может быть использован в квантовой теплофизике, квантовой электронике, оптике.

Суть предлагаемого способа состоит в следующем.

Заметим, что оптически активная среда образуется частицами (ядрами, атомами, молекулами), обладающими квантуемыми степенями свободы. Взаимодействуя через эти степени свободы, частицы образуют макроскопические квантовые системы (МКС). Возбуждение МКС трехуровневого теплового лазера (мазера) происходит в результате двух последовательных тепловых контактов этой системы с нагревателем с температурой Т1 и холодильником с температурой Т2 (Т1, > Т2, > 0). В результате в МКС устанавливается инверсное (обращенное) распределение частиц по энергетическим уровням, описываемое отрицательной абсолютной температурой Т3. Значение температур Т1 и Т2 измеряется любым способом, доступным для данного диапазона температур, например, с помощью платинового термометра сопротивления. Величина температуры Т3, определяется из формулы

Т3 = Т2/(1-((v13/v21)*((t1-t2)/t1))),

где v13 - частота кванта теплового излучения, фотона, поглощение которого частицей оптически активной среды переводит ее на верхний энергетический уровень, v21 - частота лазерного перехода (частота генерируемого электромагнитного излучения). Если температура верхнего источника теплоты t1 является величиной фиксированной, то процедура измерения t3 сводится к измерению температуры нижнего резервуара t2. При фиксированном значении Т2 измеряемой величиной оказывается температура нагревателя t1.

Рассмотрим пример реализации предлагаемого способа. Тепловой трехуровневый мазер (Е.О. schulz-du-bois, h.e. scovil, патент США № 3015072, приоритет от 26.12.1961) осуществляет прямое преобразование энергии тепловых колебаний в энергию когерентного электромагнитного излучения. Он состоит из цилиндрического стерня 1 (рис.1), погруженного одним концом в жидкий гелий 2, охлажденный до температуры Т2= 1,5 Кельвина.

Температура верхнего конца стержня с помощью электронагревателя поддерживается на уровне t1 = 20 Кельвинов. Стержень является одноосным монокри-сталлом корунда (А1203) с присадкой хрома. Парамагнитные ионы хрома cr 3+ распределены не по всему объему стержня, а лишь в его средней части 4 с концентрацией 0,05 %. Имея электронный спин 3/2, ионы хрома образуют спин систему (МКС) из трех энергетических уровней, пригодную во внешнем перпендикулярно ориентированном по отношению к оси кристалла магнитном поле напряженностью 2 кэ и при температуре t2= 1,5 Кельвина для осуществления генерации микроволнового электромагнитного излучения с частотой v21=1420 Мгц. С помощью индукционной катушки 5 и коаксиального кабеля 6 осуществляется вывод генерируемого электромагнитного излучения или связь теплового мазера, работающего в режиме усилителя, с генератором 7 этого типа излучения.

Описанное устройство осуществляет преобразование взятой из резервуара i при температуре t1 тепловой энергии q1, в квантовомеханическую работу. В резервуар ii при температуре t2 (к нижнему концу стержня) передается тепловая энергия q2. Квантовомеханическая работа А12 = q1 - q2 затрачивается на создание инверсии населенностей уровней МКС. Среднюю часть монокристал-ла необходимо рассматривать как квантовую тепловую машину, рабочим веществом которой (квантовым теплоносителем) является образованная cr 3+ спинсистема (М на рис.1).

Описанное устройство (трехуровневый квантовый генератор), осуществляя работу по преобразованию кванта теплового колебания, возбужденного при положительной температуре t1, в квант электромагнитного поля, излученного при отрицательной абсолютной температуре t3, практически связывает положительные и отрицательные температуры в единую фундаментальную температуру. Появляется возможность создать единую практическую шкалу температур, имеющую как область положительных значений, так и отрицательных.

Другим достоинством предлагаемого способа является возможность использования его не только для измерения собственной температуры МКС данного лазера. Если этот лазер работает в системе с квантовым усилителем, то его можно использовать и как простейший термометр для измерения отрицательной абсолютной температуры МКС усилителя.