Кв а нтов станд а роти частот и, пристрої, в яких для точного вимірювання частоти коливань або для генерування коливань з вельми стабільною частотою використовуються квантові переходи частинок (атомів, молекул, іонів) з одного енергетичне стану в інший. К. с. ч. дозволяють вимірювати частоту коливань, а отже, і їх період, т. е. час, з найбільшою точністю в порівнянні з ін. стандартами частоти (див. частоти стандарт , час ). Це призвело до їх впровадження в метрологію . К. с. ч. служать основою національних еталонів частоти і часу і вторинних еталонів частоти, які за класом точності і метрологічним можливостям наближаються до національного еталону, але підлягають калібруванню по ньому. К. с. ч. застосовуються як лабораторні стандарти частоти, що мають широкий набір вихідних частот і забезпечені пристроєм для порівняння вимірюваної частоти з частотою стандарту, а також як репери частоти, які дозволяють спостерігати вибрану спектральну лінію, не вносячи в неї суттєвих перекручень, і порівнювати (з високою точністю ) вимірювану частоту з частотою, що фіксується спектральної лінією. Якість К. с. ч. характеризується їх стабільністю - здатністю зберігати вибране значення частоти незмінним протягом тривалого проміжку часу.
Квантові закони накладають вельми жорсткі обмеження на стан атомів. Під дією зовнішнього електромагнітного поля певної частоти атоми можуть або збуджуватися, т. З. стрибком переходити зі стану з меншою енергією E 1 в стан з більшою енергією E 2, поглинаючи при цьому порцію (квант) енергії електромагнітного поля, рівну:
h n = E 2 - E 1,
або переходити в стан з меншою енергією, випромінюючи електромагнітні хвилі тієї ж частоти (див. атом , квантова електроніка ).
К. с. ч. прийнято розділяти на два класи. В активних К. с. ч. квантові переходи атомів і молекул безпосередньо приводять до випромінювання електромагнітних хвиль, частота яких служить стандартом або опорною частотою. Такі прилади називаються також квантовими генераторами . У пасивних К. с. ч. вимірювана частота коливань зовнішнього генератора порівнюється з частотою коливань, відповідних певному квантовому переходу вибраних атомів, т. е. з частотою спектральної лінії. Першими досягли технічної досконалості і стали доступними пасивні К. с. ч. на пучках атомів цезію (цезієві стандарти частоти). У 1967 міжнародною угодою тривалість секунди визначена як 9.192.631.770,0 періодів коливань, відповідних певному енергетичному переходу атомів єдиного стабільного ізотопу цезію 133Cs. Нуль після коми означає, що це число не підлягає подальшій зміні. У цезієві стандарті частоти спостерігається контур спектральної лінії 133Cs, відповідної переходу між 2 вибраними рівнями енергії E 2 і E 1. Частота, відповідна вершині цієї лінії, фіксується і з нею за допомогою спеціальних пристроїв порівнюються вимірювані частоти.
Головною частиною К. с. ч. з пучком атомів Cs є атомнолучевая трубка, в якій підтримується високий вакуум .В одному кінці трубки розташований джерело пучка атомів Cs - порожнину, в якій знаходиться невелика кількість рідкого Cs (рис. 1). Порожнина з'єднана з іншою трубкою вузьким каналом або набором паралельних каналів. Джерело підтримується при температурі близько 100 ° С, коли Cs знаходиться в рідкому стані (температура плавлення Cs 29,5 ° С), по тиск його парів ще мало, і атоми Cs, вилітаючи з джерела, пролітають через канали досить рідко, не стикаючись один з другом. В результаті цього в трубці формується слабо розходиться пучок атомів Cs.
У протилежному кінці трубки розташований надзвичайно чутливий приймач (детектор) атомів Cs, здатний зареєструвати нікчемні зміни в інтенсивності пучка атомів. Детектор складається з розжареною вольфрамовою зволікання 5 і колектора 6, між якими включено джерело напруги (позитивний полюс приєднаний до зволікання, а негативний - до колектора). Як тільки атом Cs стосується розжареною вольфрамовою зволікання, він віддає їй свій зовнішній електрон (енергія іонізації Cs дорівнює 3,27 ев, а робота виходу електрона з вольфраму складає 4,5 ев; см. поверхнева іонізація ). Іон Cs притягується до колектора. Якщо на розжарений вольфрам потрапляє досить багато атомів Cs, то в ланцюзі між колектором і вольфрамової дротиком виникає електричний струм, вимірюючи який, можна судити про інтенсивність цезієвого пучка, який потрапив на детектор.
По дорозі від джерела до детектора пучок атомів Cs проходить міжполюсними наконечниками двох сильних магнітів. Неоднорідне магнітне поле H 1 першого магніту розщеплює пучок атомів Cs на декілька пучків, в яких летять атоми, що володіють різними енергіями (що знаходяться на різних енергетичних рівнях). Другий магніт (поле H 2) спрямовує (фокусує) на детектор лише атоми, що належать до однієї пари енергетичних рівнів E 1 і E 2, відхиляючи в сторони інші.
У проміжку між магнітами атоми пролітають через об'ємний резонатор 3 - порожнина з провідними стінками, - в якому порушуються (за допомогою стабільного кварцового генератора ) Електромагнітні коливання певної частоти. Якщо під впливом цих коливань атом Cs з енергією E 1 перейде в енергетичний стан E 2, то поле другого магніту відкине його від детектора, тому що для атома, який перейшов в стан E 2.поле другого магніту вже не буде фокусирующим і цей атом мине детектор. Т. о., Струм через детектор виявиться зменшеним на величину, пропорційну числу атомів, які вчинили енергетичні переходи під впливом електромагнітного резонатора. Таким же чином будуть зафіксовані переходи атомів Cs зі стану E 2 в стан E 1.
Число атомів, що здійснюють вимушений перехід в одиницю часу під дією електромагнітного поля, максимально, якщо частота чинного на атом електромагнітного поля точно збігається з резонансною частотою n 0 = (E 2 - E 1) / h. У міру збільшення розбіжності (расстройки) цих частот число таких атомів зменшується. Тому, плавно змінюючи частоту поля поблизу n 0 і відкладаючи по горизонтальній осі частоту n, а по вертикалі зміна струму детектора, отримаємо контур спектральної лінія, що відповідає переходу E 1 ® E 2 і назад E 2 ® E 1 (рис. 2, а) .
Частота n 0, відповідна вершині спектральної лінії, і є опорною точкою (репером) на шкалі частот, а відповідний їй період коливань прийнятий рівним 1/9 192 631,0 сек.
Точність частоти, що відповідає вершині спектральної лінії, як правило, становить кілька відсотків, а в кращому випадку - частки відсотка від ширини лінії. Вона тим вище, чим вже спектральна лінія. Цим пояснюється прагнення усунути або принаймні послабити всі причини, що призводять до розширення використовуваних спектральних ліній.
У цезієвих стандартах розширення спектральної лінії (рис. 2, а) обумовлено часом взаємодії атомів з електромагнітним полем резонатора: чим менше цей час, тим ширше лінія (див. невизначеностей співвідношення ). Час взаємодії збігається з часом прольоту атома через резонатор. Воно пропорційно довжині резонатора і обернено пропорційно швидкості атомів. Але довжина резонатора не може бути зроблена дуже великий (збільшується розсіювання атомного пучка). Істотно зменшити швидкість атомів, знижуючи температуру, також неможливо, тому що при цьому падає інтенсивність пучка. Збільшення розмірів резонатора утруднене і тим, що він повинен розташовуватися в досить однорідному по величині і напрямку магнітному полі Н. Останнє необхідно тому, що використовувані енергетичні переходи в атомах Cs обумовлені зміною орієнтації магнітного моменту ядра атома Cs відносно магнітного моменту його електронної оболонки (див. Електронний парамагнітний резонанс ). Переходи такого типу не можуть спостерігатися поза магнітного поля, причому частота, відповідна таким переходам, залежить (хоча і слабо) від величини цього поля. Створювати таке поле у великому обсязі важко.
Отримання вузької спектральної лінії досягається застосуванням резонатора П-подібної форми (рис. 3). У цьому резонаторі пучок пролітає через отвір поблизу його кінців і тільки там взаємодіє з високочастотним електромагнітним полем. Тому тільки в двох цих невеликих областях необхідні однорідність і стабільність магнітного поля Н. При цьому перед другим влетить в резонатор атоми «зберігають» результат першого взаємодії з полем. У разі П-образного резонатора спектральна лінія набуває більш складну форму (рис. 2, б), що відображає і час прольоту в електромагнітному полі усередині резонатора (широкий п'єдестал), і повний час прольоту між обома кінцями резонатора (вузький центральний пік). Саме вузький центральний пік служить для фіксації частоти.
У К. с. ч. з пучком атомів Cs погрішність в значенні частоти n 0 має місце лише в 13-м знаку для унікальних пристроїв (еталонів частоти) і в 12-му знаку для серійних приладів високої точності (вторинних еталонів або стандартів частоти).
До складу К. с. ч. з пучком атомів Cs поряд з атомнолучевой трубкою і кварцовим генератором входять спеціальні радіосхеми, що дозволяють з високою точністю порівнювати вимірювану частоту зовнішніх генераторів з частотою, яка визначається К. с. ч. Крім того, зазвичай цезієвий стандарт доповнюють пристроями, що виробляють набір «цілих» стандартних частот, стабільність яких дорівнює стабільності еталону. Іноді ці системи виробляють і сигнали точного часу. У таких випадках К. с. ч. перетворюється в квантові годинник .
Унікальні лабораторні зразки К. с. ч. на пучках атомів Cs, що входять до складу національних еталонів частоти і часу, забезпечують відтворення тривалості секунди, а отже всієї системи вимірювання частоти і часу з відносною похибкою, меншою ніж 10-11. Ця відносна похибка практично не перевищує 10-12, але для фіксації цього значення міжнародною угодою необхідне проведення тривалих спостережень. Істотною перевагою К. с. ч. на пучках атомів цезію є те, що їх промислові конструкції забезпечують відтворення номінального значення частоти (часу) з похибкою 10-11, т. е. не поступаються за точністю еталону. Навіть малогабаритні прилади цього типу, придатні для застосування в умовах звичайних лабораторій і на рухливих об'єктах, працюють з похибкою не більше 10-10, а деякі зразки і 10-11.
Найбільш важливим активним К. с. ч. є водневий квантовий генератор (рис. 4). У водневому генераторі пучок атомів водню виходить з джерела 1, де при низькому тиску під впливом електричного розряду молекули водню розщеплюються на атоми. Розміри каналів, крізь які атоми вилітають з джерела 1 у вакуумну камеру, менше, ніж відстань, пролітає атомами водню між їх зіткненнями. При цьому умови атоми водню вилітають з джерела у вигляді вузького пучка. Цей пучок проходить міжполюсними наконечниками багатополюсного магніту 2. Дія поля, що створюється таким магнітом, таке, що воно фокусує поблизу осі пучка атоми, що знаходяться в збудженому стані, і розкидає в сторони атоми, які знаходяться в основному (збудженому) стані.
Збуджені атоми пролітають через маленький отвір в кварцову колбу 4, що знаходиться всередині об'ємного резонатора 3, налаштованого на частоту, відповідну переходу атомів водню із збудженого стану в основний. Під дією електромагнітного поля атоми водню випромінюють, переходячи в основний стан. Фотони, що випромінюються атомами водню протягом порівняно великого часу, що визначається добротністю резонатора, залишаються всередині нього, викликаючи знову вимушене випускання таких же фотонів атомами водню, влітають пізніше. Т. о., Резонатор створює зворотний зв'язок, необхідну для самозбудження генератора (див. Генерування електричних коливань ). Однак досяжна інтенсивність пучків атомів водню все ж недостатня для того, щоб забезпечити самозбудження такого генератора, якщо використовується звичайний об'ємний резонатор. Тому в резонатор поміщають кварцову колбу 4, стінки якої покриті зсередини тонким шаром фторопласта (Тефлону). Збуджені атоми водню можуть вдаритися об плівку тефлону більше десяти тисяч разів, не втративши при цьому свою надлишкову енергію. Завдяки цьому в колбі накопичується значна кількість збуджених атомів водню і середній час перебування кожного з них в резонаторі збільшується приблизно до 1 сек. Цього достатньо для того, щоб умови самозбудження були виконані і водневий генератор почав працювати, випромінюючи електромагнітні хвилі з надзвичайно стабільною частотою.
Колба, розміри якої вибираються меншими, ніж генерується довжина хвилі, грає ще одну, надзвичайно важливу роль. Хаотичний рух атомів водню усередині колби мало б привести до розширення спектральної лінії внаслідок ефекту Доплера, (див. Доплера ефект ). Однак якщо рух атомів обмежено обсягом, розміри якого менше довжини хвилі, то спектральна лінія набуває вигляду вузького піку, що підноситься над широким низьким п'єдесталом. В результаті цього в водневому генераторі, що генерує випромінювання з довжиною хвилі l = 21 см, ширина спектральної лінії складає всього 1 гц.
Саме надзвичайно мала ширина спектральної лінії забезпечує малу погрішність частоти водневого генератора, також лежить в межах 13-го знака. Похибка обумовлена взаємодією атомів водню з фторпла-СТОВ покриттям колби. Значення цієї частоти, виміряне за допомогою К. с. ч. на пучку атомів Cs (див. вище), так само 1.420.405.751,7860 ± 0,0046 гц. Потужність водневого генератора надзвичайно мала (~ 10-12 Вт). Тому К. с. ч. на основі водневого генератора включає в себе, крім схем порівняння і формування сітки стандартних частот, надзвичайно чутливий приймач.
Обидва описаних К. с. ч. працюють в діапазоні надвисоких радіочастот (СВЧ). Відомий ряд ін. Атомів і молекул, спектральні лінії яких дозволяють створювати активні і пасивні К. с. ч. радіодіапазону. Однак вони поки не знайшли практичного застосування. Лише К. с. ч. на атомах заліза, засновані на методі оптичного накачування , Широко застосовуються в якості вторинного стандарту частоти в лабораторній практиці, а також в системах радіонавігації і в квантових годинах.
К. с. ч. оптичного діапазону є лазери , В яких прийняті спеціальні заходи для стабілізації частоти їх випромінювання. В оптичному діапазоні доплеровское розширення спектральних ліній дуже велике і через малу довжину світлових хвиль подавити його так, як це зроблено в водневому генераторі, не вдається. Створити ж ефективний лазер на пучках атомів або молекул поки також не вдається. Т. к. В межах доплеровской ширини спектральної лінії поміщається декілька відносно вузьких резонансних ліній оптичного резонатора, то частота генерації переважної більшості лазерів визначається не стільки частотою використовуваної спектральної лінії, скільки розмірами оптичного резонатора, що визначають його резонансні частоти. Але ці частоти не залишаються постійними, а змінюються під впливом змін температури, тиску, під дією вібрацій, старіння і т.п.
Найменша відносна похибка частоти в оптичного К. с. ч. (~ 10-13) досягнута за допомогою гелій-неонового лазера, що генерує на хвилі 3,39 мкм (див. газовий лазер ). Всередину резонатора лазера поміщена трубка, наповнена метаном при низькому тиску. Метанова осередок деформує форму спектральної лінії лазера, утворюючи на ній надзвичайно вузький і стабільний по частоті резонансний пік. Саме на вершині цього піку відбувається самозбудження лазера, а частота його випромінювання визначається головним чином положенням вершини піку. Для підвищення максимальної стабільності вся конструкція поміщається в термостат, стабілізуються джерела живлення, довжина резонатора і т.п.
К. с. ч. оптичного діапазону поки що не пов'язані (в метрологічному сенсі) з К. с. ч. радіодіапазону, а отже, з одиницею частоти (гц) і одиницею часу (сек). Безпосереднє вимірювання частоти (порівняння з еталоном) можливо тільки в довгохвильовому ділянці інфрачервоного діапазону (3,39 мкм і довше).
Літ .: Квантова електроніка, Маленька енциклопедія, М., 1969, с. 35; Грнгорьянц В. В., Жаботинський М. Е., Золін В. Ф., Квантові стандарти частоти, М., 1968, с. 164, 194; Басов Н. Г., Беленов Е. М., надвузьких спектральні лінії і квантові стандарти частоти, «Природа», 1972, № 12.
М. Є. Жаботинський.
Мал. 2. Форма спектральної лінії в цезієвих стандартах частоти: а - зі звичайним резонатором; б - в разі П-образного резонатора; n - резонансна частота, Dn - ширина спектральної лінії.
Мал. 3. Схема атомнолучевой трубки з П-образним резонатором (позначення ті ж, що і на рис. 1).
Мал. 4. Пристрій водневого генератора: 1 - джерело атомного пучка; 2 - сортує система (багатополюсний магніт); 3 - резонатор; 4 - накопичувальна колба.
Мал. 1. Схема атомнолучевой трубки: 1 - джерело пучка Cs; 2 і 4 - відхиляють магніти, що створюють неоднорідні магнітні поля H1 і H2; 3 - об'ємний резонатор, в якому порушуються електромагнітні хвилі, що знаходиться в постійному і однорідному магнітному полі Н; 5 - розпечена вольфрамова зволікання; 6 - колектор іонів Cs; 7 - вимірювальний прилад; 8 - область постійного однорідного магнітного поля Н (обмежена пунктиром).
