|
|
Большая Советская Энциклопедия (цитаты)
|
|
|
|
|
Квантовые стандарты частоты | Квантовые стандарты частоты (далее К) устройства, в которых для точного измерения частоты колебаний или для генерирования колебаний с весьма стабильной частотой используются квантовые переходы частиц ( молекул, ионов) из одного энергетическое состояния в другое. К позволяют измерять частоту колебаний, а следовательно, и их период, т. е. время, с наибольшей точностью по сравнению с др. стандартами частоты (см. Частоты стандарт, Время). Это привело к их внедрению в метрологию. К служат основой национальных эталонов частоты и времени и вторичных эталонов частоты, которые по классу точности и метрологическим возможностям приближаются к национальному эталону, но подлежат по нему. К применяются как лабораторные стандарты частоты, имеющие широкий набор выходных частот и снабженные устройством для сравнения измеряемой частоты с частотой стандарта, а также как реперы частоты, которые позволяют наблюдать выбранную спектральную линию, не внося в нее существенных искажений, и сравнивать (с высокой точностью) измеряемую частоту с частотой, фиксируемой спектральной линией. Качество К характеризуется их стабильностью — способностью сохранять выбранное значение частоты неизменным в течение длительного промежутка времени.
Квантовые законы накладывают весьма жесткие ограничения на состояние Под действием внешнего электромагнитного поля определенной частоты могут либо возбуждаться, т. с. скачком переходить из состояния с меньшей энергией E1 в состояние с большей энергией E2, поглощая при этом порцию (квант) энергии электромагнитного поля, равную:
hn = E2 - E1,
либо переходить в состояние с меньшей энергией, излучая электромагнитные волны той же частоты (см. Атом, Квантовая электроника).
К принято разделять на два класса. В активных К квантовые переходы и молекул непосредственно приводят к излучению электромагнитных волн, частота которых служит стандартом или опорной частотой. Такие приборы называются также квантовыми генераторами. В пассивных К измеряемая частота колебаний внешнего генератора сравнивается с частотой колебаний, соответствующих определенному квантовому переходу выбранных т. е. с частотой спектральной линии. Первыми достигли технического совершенства и стали доступными пассивные К на пучках ( стандарты частоты). В 1967 международным соглашением длительность секунды определена как 9.192.631.770,0 периодов колебаний, соответствующих определенному энергетическому переходу единственного стабильного изотопа 133. Нуль после запятой означает, что это число не подлежит дальнейшему изменению. В стандарте частоты наблюдается контур спектральной линии 133, соответствующей переходу между 2 выбранными уровнями энергии E2 и E1. Частота, соответствующая вершине этой линии, фиксируется и с ней при помощи специальных устройств сравниваются измеряемые частоты.
Главной частью К с пучком является трубка, в которой поддерживается высокий вакуум. В одном конце трубки расположен источник пучка — полость, в которой находится небольшое количество жидкого (рис. 1). Полость соединена с остальной трубкой узким каналом или набором параллельных каналов. Источник поддерживается при температуре около 100 °С, когда находится в жидком состоянии (температура плавления 29,5 °С), по давление его паров еще мало, и , вылетая из источника, пролетают через каналы достаточно редко, не сталкиваясь друг с другом. В результате этого в трубке формируется слабо расходящийся пучок .
В противоположном конце трубки расположен чрезвычайно чувствительный приемник ( , способный зарегистрировать ничтожные изменения в интенсивности пучка состоит из раскаленной проволочки 5 и коллектора 6, между которыми включен источник напряжения (положительный полюс присоединен к проволочке, а отрицательный — к коллектору). Как только касается раскаленной проволочки, он отдает ей свой внешний электрон (энергия ионизации равна 3,27 эв, а работа выхода электрона из составляет 4,5 эв; см. Поверхностная ионизация). Ион притягивается к коллектору. Если на раскаленный попадает достаточно много , то в цепи между коллектором и проволочкой возникает электрический ток, измеряя который, можно судить об интенсивности пучка, попавшего на
По пути от источника к пучок проходит между полюсными наконечниками двух сильных Неоднородное поле 1 первого расщепляет пучок на несколько пучков, в которых летят обладающие различными энергиями (находящиеся на разных энергетических уровнях). Второй (поле 2) направляет (фокусирует) на только принадлежащие к одной паре энергетических уровней E1 и E2, отклоняя в стороны остальные.
В промежутке между пролетают через объемный резонатор 3 — полость с проводящими стенками, — в котором возбуждаются (с помощью стабильного кварцевого генератора) электромагнитные колебания определенной частоты. Если под влиянием этих колебаний с энергией E1 перейдет в энергетическое состояние E2, то поле второго отбросит его от т.к. для перешедшего в состояние E2. поле второго уже не будет фокусирующим и этот минует Т. о., ток через окажется уменьшенным на величину, пропорциональную числу совершивших энергетические переходы под влиянием электромагнитного резонатора. Таким же образом будут зафиксированы переходы из состояния E2 в состояние E1.
Число совершающих вынужденный переход в единицу времени под действием электромагнитного поля, максимально, если частота действующего на электромагнитного поля точно совпадает с резонансной частотой n0 = (E2 - E1)/h. По мере увеличения несовпадения (расстройки) этих частот число таких уменьшается. Поэтому, плавно меняя частоту поля вблизи n0 и откладывая по горизонтальной оси частоту n, а по вертикали изменение тока получим контур спектральной линия, соответствующий переходу E1 ® E2 и обратно E2 ® E1 (рис. 2, а).
Частота n0, соответствующая вершине спектральной линии, и является опорной точкой (репером) на шкале частот, а соответствующий ей период колебаний принят равным 1/9 192 631,0 сек.
Точность определения частоты, соответствующей вершине спектральной линии, как правило, составляет несколько процентов, а в лучшем случае — доли процента от ширины линии. Она тем выше, чем уже спектральная линия. Этим объясняется стремление устранить или по крайней мере ослабить все причины, приводящие к уширению используемых спектральных линий.
В стандартах уширение спектральной линии (рис. 2, а) обусловлено временем взаимодействия с электромагнитным полем резонатора: чем меньше это время, тем шире линия (см. Неопределенностей соотношение). Время взаимодействия совпадает со временем пролета через резонатор. Оно пропорционально длине резонатора и обратно пропорционально скорости Но длина резонатора не может быть сделана очень большой (увеличивается рассеяние пучка). Существенно уменьшить скорость понижая температуру, также невозможно, т.к. при этом падает интенсивность пучка. Увеличение размеров резонатора затруднено и тем, что он должен располагаться в весьма однородном по величине и направлению поле Н. Последнее необходимо потому, что используемые энергетические переходы в обусловлены изменением ориентации момента ядра относительно момента его электронной оболочки (см. Электронный парамагнитный резонанс). Переходы такого типа не могут наблюдаться вне поля, причем частота, соответствующая таким переходам, зависит (хотя и слабо) от величины этого поля. Создавать такое поле в большом объеме затруднительно.
Получение узкой спектральной линии достигается применением резонатора П-образной формы (рис. 3). В этом резонаторе пучок пролетает через отверстие вблизи его концов и только там взаимодействует с высокочастотным электромагнитным полем. Поэтому только в двух этих небольших областях необходимы однородность и стабильность поля Н. При этом перед вторым влетом в резонатор "сохраняют" результат первого взаимодействия с полем. В случае П-образного резонатора спектральная линия приобретает более сложную форму (рис. 2, б), отражающую и время пролета в электромагнитном поле внутри резонатора (широкий пьедестал), и полное время пролета между обоими концами резонатора (узкий центральный пик). Именно узкий центральный пик служит для фиксации частоты.
В К с пучком погрешность в значении частоты n0 имеет место лишь в 13-м знаке для уникальных устройств (эталонов частоты) и в 12-м знаке для серийных приборов высокой точности (вторичных эталонов или стандартов частоты).
В состав К с пучком наряду с трубкой и кварцевым генератором входят специальные радиосхемы, позволяющие с высокой точностью сравнивать измеряемую частоту внешних генераторов с частотой, определяемой К Кроме того, обычно стандарт дополняют устройствами, вырабатывающими набор "целых" стандартных частот, стабильность которых равна стабильности эталона. Иногда эти системы вырабатывают и сигналы точного времени. В таких случаях К превращается в квантовые часы.
Уникальные лабораторные образцы К на пучках , входящие в состав национальных эталонов частоты и времени, обеспечивают воспроизведение длительности секунды, а следовательно всей системы измерения частоты и времени с относительной погрешностью, меньшей чем 10–11. Эта относительная погрешность практически не превышает 10–12, но для фиксации этого значения международным соглашением необходимо проведение длительных наблюдений. Существенным преимуществом К на пучках является то, что их промышленные конструкции обеспечивают воспроизведение номинального значения частоты (времени) с погрешностью 10–11, т. е. не уступают по точности эталону. Даже малогабаритные приборы этого типа, пригодные для применения в условиях обычных лабораторий и на подвижных объектах, работают с погрешностью не более 10–10, а некоторые образцы и 10–11.
Наиболее важным активным К является квантовый генератор (рис. 4). В генераторе пучок выходит из источника 1, где при низком давлении под влиянием электрического разряда молекулы расщепляются на Размеры каналов, сквозь которые вылетают из источника 1 в вакуумную камеру, меньше, чем расстояние, пролетаемое между их столкновениями. При этом условии вылетают из источника в виде узкого пучка. Этот пучок проходит между полюсными наконечниками многополюсного 2. Действие поля, создаваемого таким таково, что оно фокусирует вблизи оси пучка находящиеся в возбужденном состоянии, и разбрасывает в стороны которые находятся в основном (невозбужденном) состоянии.
Возбужденные пролетают через маленькое отверстие в кварцевую колбу 4, находящуюся внутри объемного резонатора 3, настроенного на частоту, соответствующую переходу из возбужденного состояния в основное. Под действием электромагнитного поля излучают, переходя в основное состояние. Фотоны, излучаемые в течение сравнительно большого времени, определяемого добротностью резонатора, остаются внутри него, вызывая снова вынужденное испускание таких же фотонов влетающими позже. Т. о., резонатор создает обратную связь, необходимую для самовозбуждения генератора (см. Генерирование электрических колебаний). Однако достижимая интенсивность пучков все же недостаточна для того, чтобы обеспечить самовозбуждение такого генератора, если используется обычный объемный резонатор. Поэтому в резонатор помещают кварцевую колбу 4, стенки которой покрыты изнутри тонким слоем фторопласта (тефлона). Возбужденные могут удариться о пленку тефлона более десяти тысяч раз, не потеряв при этом свою избыточную энергию. Благодаря этому в колбе скапливается значительное число возбужденных и среднее время пребывания каждого из них в резонаторе увеличивается примерно до 1 сек. Этого достаточно для того, чтобы условия самовозбуждения были выполнены и генератор начал работать, излучая электромагнитные волны с чрезвычайно стабильной частотой.
Колба, размеры которой выбираются меньшими, чем генерируемая длина волны, играет еще одну, чрезвычайно важную роль. Хаотичное движение внутри колбы должно было бы привести к уширению спектральной линии вследствие эффекта Доплера, (см. Доплера эффект). Однако если движение ограничено объемом, размеры которого меньше длины волны, то спектральная линия приобретает вид узкого пика, возвышающегося над широким низким пьедесталом. В результате этого в генераторе, генерирующем излучение с длиной волны l = 21 см, ширина спектральной линии составляет всего 1 гц.
Именно чрезвычайно малая ширина спектральной линии обеспечивает малую погрешность частоты генератора, также лежащую в пределах 13-го знака. Погрешность обусловлена взаимодействием с покрытием колбы. Значение этой частоты, измеренное при помощи К на пучке (см. выше), равно 1.420.405.751,7860 ± 0,0046 гц. Мощность генератора чрезвычайно мала (~ 10–12 вт). Поэтому К на основе генератора включает в себя, помимо схем сравнения и формирования сетки стандартных частот, чрезвычайно чувствительный приемник.
Оба описанных К работают в диапазоне сверхвысоких радиочастот (СВЧ). Известен ряд др. и молекул, спектральные линии которых позволяют создавать активные и пассивные К радиодиапазона. Однако они пока не нашли практического применения. Лишь К на основанные на методе оптической накачки, широко применяются в качестве вторичного стандарта частоты в лабораторной практике, а также в системах радионавигации и в квантовых часах.
К оптического диапазона представляют собой лазеры, в которых приняты специальные меры для стабилизации частоты их излучения. В оптическом диапазоне доплеровское уширение спектральных линий очень велико и из-за малой длины световых волн подавить его так, как это сделано в генераторе, не удается. Создать же эффективный лазер на пучках или молекул пока также не удается. Т. к. в пределах доплеровской ширины спектральной линии помещается несколько относительно узких резонансных линий оптического резонатора, то частота генерации подавляющего большинства лазеров определяется не столько частотой используемой спектральной линии, сколько размерами оптического резонатора, определяющими его резонансные частоты. Но эти частоты не остаются постоянными, а изменяются под влиянием изменений температуры, давления, под действием вибраций, старения и т.п.
Наименьшая относительная погрешность частоты у оптического К(~ 10–13) достигнута с помощью лазера, генерирующего на волне 3,39 мкм (см. Газовый лазер). Внутрь резонатора лазера помещена трубка, наполненная метаном при низком давлении. Метановая ячейка деформирует форму спектральной линии лазера, образуя на ней чрезвычайно узкий и стабильный по частоте резонансный пик. Именно на вершине этого пика происходит самовозбуждение лазера, а частота его излучения определяется главным образом положением вершины пика. Для повышения максимальной стабильности вся конструкция помещается в термостат, стабилизируются источники питания, длина резонатора и т.п.
К оптического диапазона пока еще не связаны (в метрологическом смысле) с К радиодиапазона, а следовательно, с единицей частоты (гц) и единицей времени (сек). Непосредственное измерение частоты (сравнение с эталоном) возможно только в длинноволновом участке инфракрасного диапазона (3,39 мкм и длиннее).
Лит.: Квантовая электроника, Маленькая энциклопедия, М., 1969, с. 35; Грнгорьянц В. В., Жаботинский М. Е., Золин В. Ф., К, М., 1968, с. 164, 194; Басов Н. Г., Беленов Э. М., Сверхузкие спектральные линии и квантовые стандарты частоты, "Природа", 1972, № 12.
М. Е. Жаботинский.
|
Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска
|
|
 |
 |
 |
|
|
|
Новости 22.12.2024 11:14:52
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
