Akademik

КВАНТОВЫЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ

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).

КВАНТОВЫЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ

- устройства для получения эл.-магн. колебаний со стабильной во времени частотой. Среднеквадратичное относит. отклонение частоты (относит. нестабильность) и относит. погрешность воспроизведения действительного значения частоты (воспроизводимость) К. с. ч. достигает 10^-¹⁴. К. с. ч.- основа эталонов времени и длины, широко применяются в измерит. технике, навигации и метрологич. службе. В К. с. ч. используются наиб. стабильные квантовые переходы между энергетич. уровнями атомов или молекул, частоты к-рых расположены в дециметровом или более коротковолновых диапазонах длин волн l. Однако для большинства применений требуются высокостабильные колебания в радиодиапазоне, а для эталонов времени необходимы колебания с частотой 1 Гц, т. е. с периодом 1 с. Поэтому К. с. ч. содержат помимо устройства для наблюдения спектральной линии (квантового репера частоты) электронную схему преобразования частоты репера в др. частотные диапазоны. Типы К. с. ч. По способу наблюдения спектральной линии в квантовом репере К. с. ч. подразделяются на активные и пассивные. Активный репер является квантовым генератором. Применяют активные К. с. ч. на водородном генераторе и рубидиевом генераторе с оптич. накачкой (рис. 1).

Рис. 1. Блок-схема активного квантового стандарта частоты.

В пассивном репере спектральная линия атомов используется для автоподстройки по ней частоты вспомогат. генератора. В этом случае квантовый репер работает как дискриминатор, определяющий величину и знак отклонения частоты вспомогат. генератора от её номинального значения и устраняющий это отклонение. В применяемых пассивных К. с. ч. реперные спектральные линии лежат в сантиметровом диапазоне l. При этом вспомогат. генератором служит кварцевый генератор, а электронная схема обеспечивает необходимое преобразование его частоты, наблюдение спектральной линии и автоподстройку по ней кварцевого генератора (рис. 2). Основой пассивных К. с. ч. является входящая в состав репера поглощающая ячейка, в к-рой атомы, максимально изолированныеот внеш. воздействий, избирательно поглощают эл.-магн. излучение с частотой f, формируемой синтезатором частот из частоты кварцевого генератора. Схема сравнения определяет величину и знак разности Df между частотой f и частотой спектральной линии f_с

Рис. 2. Блок-схема пассивного стандарта частот.

и вырабатывает управляющий сигнал kDf, смещающий частоту кварцевого генератора f_к к её номинальному значению f_н, при к-ром Df=f-f_с=0. При этом весь набор частот, вырабатываемый синтезатором частот, максимально приближается к их номинальным значениям. К пассивным относятся К. с. ч. на пучке атомов Cs и Rb (см. Цезиевая атомно-лучевая трубка )и К. с. ч. на атомах Rb с оптич. накачкой и индикацией (см. Рубидиевый стандарт частоты).Если спектральная линия находится в ИК- или оптич. диапазоне, то вспомогат. генератором служит лазер.

Рис. 3. Блок-схема оптического стандарта частоты: a - с внешним репером; б - свнутренним. Автоподстройка резонатора необходима для уменьшения эффекта затягивания частоты.

Поглощающая ячейка содержит разреженныйгаз, частота спектральных линий к-рого совпадает с частотой лазера (см. Оптические стандарты частоты).Стабильность частоты определяется в основном характеристиками спектральной линии в поглощающей ячейке: её относит. шириной Df_с/f_с и интенсивностью (пропорц. произведению квадрата матричного элемента перехода на разность населённостей его уровней), а также зависимостью её частоты от внеш. воздействий (магн. и электрич. полей, изменения темп-ры, давления и т. п.). Относит. ширина линии Df_с/f_с и её интенсивность определяют гл. обр. стабильность К. с. ч. за короткие времена наблюдения, а степень зависимости частоты от внеш. воздействий обусловливает долговрем. стабильность и воспроизводимость частоты. Кратковрем. относит. нестабильность частоты обратно пропорц. в случае пассивной системы произведению добротности спектральной линии f_с/Df_с на отношение сигнал/шум при её индикации, а в случае активной системы - произведению f_с/Df_с на мощность квантового генератора. Т. к. мощность квантовых генераторов и отношение сигнал/шум пассивных реперов невелики, то для получения кратковрем. относит. нестабильности частоты ~10^-¹² -10^-¹⁴ при времени усреднения t~1 с необходимо f_c/Df_c/10⁸-10¹⁰. Именно это обстоятельство ограничивает снизу диапазон частот для спектральной линии репера, т. к. линии с такой добротностью из-за уширения не обнаруживаются вплоть до частот ~1000 МГц (см. Ширина спектральных линий).Отношение сигнал/шум и мощность генерации линейно зависят от интенсивности линии. Поэтому для получения требуемого отношения сигнал/шум или мощности генерации необходимо иметь макс. разность населённостей уровней. Для этого используются: сортировка пучка атомов или молекул по энергиям с помощью неоднородного постоянного магн. или электрич. полей (водородный генератор, цезиевая трубка); оптич. накачка, приводящая к нарушению больцмановского распределения атомов по энергиям (рубидиевый генератор, рубидиевый К. с. ч. с оптич. накачкой и индикацией).Высокие требования к долговрeм. стабильности и воспроизводимости могут быть выполнены, если относит. нестабильность частоты спектральной линии репера [10^-¹¹-10^-¹⁴ за обусловленное время. Такое значение можно получить только для переходов, слабо зависящих от электрич. и магн. полей в условиях ослабления др. внеш. воздействий. Выполнение этих же условий необходимо и для реализации высокой добротности спектральной линии, однако они, как правило, несовместимы с получением большой интенсивности линии. Наиб. перспективен способ наблюдений спектральной линии в атомном (или молекулярном) пучке. Требованиям, предъявляемым к свойствам квантового перехода, для К. с. ч. в дециметровом и сантиметровом диапазонах lнаиб. полно удовлетворяют переходы F₁=F, m_F=0DF₂=F+1, m_F=0 между подуровнями магн. сверхтонкой структуры осн. состояния атомов Н, Та (F=0 )и щелочных металлов (F=1 для ⁸⁷Rb, ²³Na и F=2 для ^l33Cs) (см. Атомные спектры, Зеемана эффект).Наибольшего совершенства достигли активный К. с. ч. на водородном генераторе и пассивные на цезиевой трубке и атомах Rb с оптич. накачкой и индикацией (табл.).

Атомное время. Для К. с. ч., используемых в службе времени, важнейшими характеристиками являются точность частоты (нескомпенсированная систематич. относит. погрешность воспроизведения частоты невозмущённого перехода) и относит. погрешностьвоспроизводимости. Эти характеристики наилучшие у К. с. ч. на цезиевой атомно-лучевой трубке. В 1964 Международный комитет по вопросам мер и весов принял в качестве эталона частоты переход F₁=3, m_F=0DF₂=4, m_F=0 между подуровнями сверхтонкой магн. структуры осн. состояния атомов ¹³³Cs, не возмущённого внеш. полями, приписав его частоте значение 9192631770 Гц. Соответствующая шкала времени наз. атомной, а единица времени в ней - атомная секунда - определена как 9192631770 периодов резонансного колебания ¹³⁷Cs. Т. о., К. с. ч. на цезиевой атомно-лучевой трубке признан первичным стандартом (эталоном), по отношению к к-рому стандарты др. типов являются вторичными. Лит.: Григорьянц В. В., Жаботинский М. Б., Золин В. Ф., Квантовые стандарты частоты, М., 1968; Л е т о х о в B.C., Чеботаев В. П., Принципы нелинейной лазерной спектроскопии, М., 1975. В. Я. Базаров.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.