КВАНТОВЫЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ

Устройства для точного измерения частоты колебаний или для генерирования колебаний с весьма стабильной частотой, в к-рых используются квант. переходы (атомов, молекул, ионов) из одного энергетич. состояния в другое.

Рис. 1. Схема атомно-лучевой цезиевой трубки: 1 — источник пучка; 2 и 4 — отклоняющие магниты; 3 — объёмный резонатор; 5 — раскалённая вольфрамовая проволочка (детектор); в — коллектор ионов.

К. с. ч. позволяют измерять частоту колебаний, а следовательно, и их период (время) с наибольшей достижимой в настоящее время точностью (см. ниже). Это привело к их внедрению помимо лабораторной практики в метрологию и службу времени. К. с. ч.— основа нац. эталонов частоты и времени и вторичных эталонов частоты. К. с. ч. характеризуется высокой стабильностью в течение длит. времени. К. с. ч. принято разделять на два класса; активные К. с. ч. (квантовые генераторы) и пассивные К. с. ч., в к-рых измеряемая частота сравнивается с частотой фиксиров. спектр. линии. Сначала были усовершенствованы пассивные К. с. ч. на пучках атомов Cs. В 1967 междунар. соглашением длительность секунды определена как 9192631770,0 периодов колебаний, соответствующих определённому переходу между уровнями энергии единств. стабильного изотопа цезия 133Cs. В цезиевом стандарте частоты наблюдается контур спектр. линии 133Cs, частота, соответствующая вершине линии, сравнивается с измеряемой частотой с помощью спец. устройств.

Гл. частью цезиевого К. с. ч. явл. т.н. атомнолучевая трубка, в одном конце к-рой расположен источник атомов Cs (полость наполнения жидким Cs, рис. 1), соединённая с остальной трубкой узким каналом (или системой параллельных капилляров). Жидкий Cs поддерживается при темп-ре ок. 100°С, когда давление паров ещё мало, и атомы, вылетая из источника, формируются в слабо расходящийся пучок (см. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ И АТОМНЫЕ ПУЧКИ). В противоположном конце трубки расположен детектор атомов Cs, состоящий из раскалённой вольфрамовой проволочки 5 и коллектора 6. Как только атом Cs касается проволочки, он отдаёт ей эл-н н в виде иона притягивается к коллектору. В цепи между коллектором и проволочкой возникает электрич. ток, пропорц. интенсивности цезиевого пучка (детектор с поверхностной ионизацией).

По пути от источника к детектору пучок атомов пересекает два постоянных неоднородных магн. поля Н1 и Н2. Поле H1 (рис. 2) расщепляет пучок на 16 пучков, в к-рых летят атомы, находящиеся в разных энергетич. состояниях (осн. уровень Cs расщепляется в магн. поле на 16 магн. подуровней, (см. ЗЕЕМАНА ЭФФЕКТ). Для семи из них энергия атома возрастает с увеличением поля, для других семи — убывает, а для двух почти не зависит от поля. При этом семь частей отклоняются в сторону более сильного поля (к N), семь — в сторону уменьшения поля (к S), а два пучка с энергией ?1 и ?2 летят, почти не отклоняясь, и попадают в поле Н2. Поле Н2 направляет (фокусирует) на детектор только атомы с энергией, соответствующей одному из пары уровней ?1?2, отклоняя в сторону атомы с энергией, соответствующей другому уровню.

Рис. 2. Пучок атомов Cs в неоднородном магн. поле H1; 1 — сечение пучка; атомы летят в направлении, перпендикулярном плоскости рис.; 2 — силовые линии поля; 3 — полюсные наконечники.

В промежутке между полями H1 и Н2 атомы пролетают через объёмный резонатор, в к-ром возбуждаются эл.-магн. колебания частоты, отвечающей переходам ?1«?2. Если под влиянием эл.-магн. поля атом Cs с энергией ?1 перейдёт в состояние ?2 или атом с энергией ?2 в состояние ?1 то поле Н2 направит их от детектора, ток детектора уменьшится на величину, пропорц. числу атомов, совершивших переход (возможна и др. настройка системы, когда резонансу соответствует максимум тока детектора). В цезиевом стандарте используются переходы атома Cs между магн. подуровнями. Переходы такого типа не могут наблюдаться вне постоянного однородного магн. поля Н, причём частота переходов зависит от напряжённости поля Н.

Число атомов, совершающих вынужденный переход в ед. времени под действием поля, максимально, если частота действующего на атом эл.-магн поля точно совпадает с частотой перехода. По мере несовпадения (расстройки) этих частот число атомов, совершающих вынужденные переходы, уменьшается. Поэтому, плавно меняя частоту эл.-магн. поля и откладывая по горизонтали частоту w, а по вертикали — изменение тока детектора I, получим контур спектр, линии, соответствующий переходам ?1®?2, ?2®?1 (рис. 3, а).

Рис. 3. Форма спектр. линии: а — неискажённой, б — наблюдаемой в случае П-образного резонатора.

Частота w0, соотв. вершине спектр. линии, явл. опорной точкой (репером) на шкале частот, а соответствующий ей период колебаний принят равным 1/9192631777,0 с. Точность определения w0 порядка неск. % (в лучшем случае — доли %) от ширины линии Dw. Точность тем выше, чем уже спектр, линия; отсюда стремление устранить или ослабить все причины, приводящие к уширению используемых спектр. линий. В цезиевых стандартах уширение спектр. линии обусловлено временем вз-ствия атомов с эл.-магн. полем резонатора; чем меньше время, тем шире линия (см. НЕОПРЕДЕЛЁННОСТЕЙ СООТНОШЕНИЯ, ШИРИНА СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ). Время вз-ствия совпадает со временем пролёта атома через резонатор; оно пропорц. длине резонатора и обратно пропорц. скорости атомов. Уменьшать скорость атомов, понижая темп-ру, невозможно, т. к. при этом падает интенсивность пучка. Длина резонатора также не может быть сделана очень большой из-за рассеяния атомов и вследствие того, что пучок должен находиться в однородном (по величине и направлению) поле Н, что в большом объёме затруднительно.

Преодоление этой трудности и получение узкой спектр. линии достигается применением резонатора П-образной формы (рис. 4). В этом резонаторе пучок взаимодействует с эл.-магн. полем только вблизи его концов и только в этих двух небольших областях необходима однородность и стабильность магн. поля Н. В таком резонаторе спектр. линия приобретает более сложную форму (рис. 3, б), к-рая явл. результатом наложения двух линий, образованных пролётом ч-ц через каждый из концов резонатора. Ширина каждой линии велика. Эта суммарная ширина образует «пьедестал» результирующей линии. Ширина же узкой линии (центр пика), определяющая точность измерения, зависит от полного времени пролёта через резонатор.

Цезиевый стандарт обычно дополняют устройствами, вырабатывающими определённый набор частот, стабильность к-рых равна стабильности стандарта, а иногда и сигналы точного времени (см. КВАНТОВЫЕ ЧАСЫ).

Цезиевые К. с. ч. входят в состав нац. эталонов частоты и времени и обеспечивают воспроизведение длительности секунды, а следовательно всей системы измерения частоты и времени с относит. погрешностью, меньшей чем 10-13. Их преимущество состоит в том, что вторичные цезиевые стандарты (серийное производство) не уступают по точности эталону. Даже малогабаритные цезиевые трубки для лаб. практики и на подвижных объектах работают с относит. погрешностью =10-11—10-12.

Наиболее важный активный К. с. ч.— водородный квант. генератор. Пучок атомов водорода выходит из источника (где при низком давлении под влиянием электрич. разряда молекулы водорода расщепляются на атомы) в установку в виде узкого пучка (рис. 5). Пучок пролетает между полюсными наконечниками многополюсного магнита 2. Неоднородное магн. поле фокусирует к оси пучка атомы, находящиеся в возбуждённом состоянии, и разбрасывает в стороны атомы, находящиеся в осн. состоянии (см. выше). Возбуждённые атомы пролетают через отверстие в кварцевую колбу 4, находящуюся внутри объёмного резонатора 3, в к-ром возбуждается эл.-магн. поле с частотой, соответствующей переходу атомов из возбуждённого состояния в основное.

Рис. 4. Цезиевая трубка с П-образным резонатором (обозначения те же, что и на рис. 1).

Фотоны, излучаемые атомами водорода, при переходе в основное состояние в течение значит. времени (определяемого добротностью резонатора) остаются внутри него, что создаёт обратную связь, необходимую для самовозбуждения квант. генератора. Однако достижимые добротность резонаторов и интенсивность пучков атомов водорода всё же недостаточны для самовозбуждения генератора. Поэтому стенки кварцевой колбы покрывают изнутри тонким слоем фторопласта (тефлона). Возбуждённые атомы водорода могут ударяться о плёнку тефлона =104 раз, не потеряв при этом свою избыточную энергию.

Рис. 5. Устройство водородного генератора: 1 — источник пучка; 2 — сортирующая система (многополюсный магнит); 3 — резонатор; 4 — накопительная колба.В колбе скапливаются возбуждённые атомы Н, и ср. время пребывания каждого из них в резонаторе увеличивается примерно до 1 с. Этого достаточно для возбуждения генерации (см. КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА). Колба, размеры к-рой выбираются меньшими, чем генерируемая длина волны l= 21 см, играет ещё одну важную роль. Хаотич. движение атомов водорода внутри колбы должно было бы привести к уширению спектр. линии из-за Доплера эффекта. Однако, если движение атомов ограничено объёмом, размеры к-рого

Чрезвычайно малая ширина спектр. линии обеспечивает малую погрешность частоты водородного генератора (в пределах 13-го знака). Частота излучения водородного генератора, измеренная цезиевым эталоном, равна 1420405751,7860 ±0,0046 Гц. Мощность мала (=10-12 Вт). Поэтому К. с. ч. на основе водородного генератора содержат чувствительный приёмник.

Оба описанных К. с. ч. работают в диапазоне СВЧ. Известны др. атомы и молекулы, спектр. линии к-рых позволяют создавать активные и пассивные К. с. ч. радиодиапазона. Они не нашли практич. применения. Лишь К. с. ч. на атомах 87Rb с оптич. накачкой применяются в качестве вторичного стандарта частоты в лаб. практике, в системах радионавигации и в службе времени.

К. с. ч. оптич. диапазона представляют собой лазеры, в к-рых приняты спец. меры для стабилизации частоты их излучения. В оптич. диапазоне доплеровское уширеиие спектр. линий очень велико, и из-за малости l подавить его так, как это делается в водородном генераторе, не удаётся. Создать эфф. лазер на пучках атомов или молекул пока также не удаётся. Т. к. в пределах доплеровской ширины спектр. линии помещается неск. относительно узких резонансов оптич. резонатора, то частота генерации подавляющего большинства лазеров определяется не столько частотой используемой спектр. линии, сколько размерами резонатора. У оптич. К. с. ч. наименьшая относит. погрешность частоты (=10-13) достигнута с помощью гелий-неонового лазера, генерирующего на волне l=3,39 мкм (см. ОПТИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ).