Уникальные лабораторные образцы К. с. ч. на пучках атомов Cs, 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. с. ч. на пучках атомов цезия 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. с. ч. является водородный квантовый генератор (рис. 4). В водородном генераторе пучок атомов водорода выходит из источника 1, где при низком давлении под влиянием электрического разряда молекулы водорода расщепляются на атомы. Размеры каналов, сквозь которые атомы вылетают из источника 1 в вакуумную камеру, меньше, чем расстояние, пролетаемое атомами водорода между их столкновениями. При этом условии атомы водорода вылетают из источника в виде узкого пучка. Этот пучок проходит между полюсными наконечниками многополюсного магнита 2. Действие поля, создаваемого таким магнитом, таково, что оно фокусирует вблизи оси пучка атомы, находящиеся в возбуждённом состоянии, и разбрасывает в стороны атомы, которые находятся в основном (невозбуждённом) состоянии.
Возбуждённые атомы пролетают через маленькое отверстие в кварцевую колбу 4, находящуюся внутри объёмного резонатора 3, настроенного на частоту, соответствующую переходу атомов водорода из возбуждённого состояния в основное. Под действием электромагнитного поля атомы водорода излучают, переходя в основное состояние. Фотоны, излучаемые атомами водорода в течение сравнительно большого времени, определяемого добротностью резонатора, остаются внутри него, вызывая снова вынужденное испускание таких же фотонов атомами водорода, влетающими позже. Т. о., резонатор создаёт обратную связь, необходимую для самовозбуждения генератора (см. Генерирование электрических колебаний). Однако достижимая интенсивность пучков атомов водорода всё же недостаточна для того, чтобы обеспечить самовозбуждение такого генератора, если используется обычный объёмный резонатор. Поэтому в резонатор помещают кварцевую колбу 4, стенки которой покрыты изнутри тонким слоем фторопласта (тефлона). Возбуждённые атомы водорода могут удариться о плёнку тефлона более десяти тысяч раз, не потеряв при этом свою избыточную энергию. Благодаря этому в колбе скапливается значительное число возбуждённых атомов водорода и среднее время пребывания каждого из них в резонаторе увеличивается примерно до 1 сек. Этого достаточно для того, чтобы условия самовозбуждения были выполнены и водородный генератор начал работать, излучая электромагнитные волны с чрезвычайно стабильной частотой.
Колба, размеры которой выбираются меньшими, чем генерируемая длина волны, играет ещё одну, чрезвычайно важную роль. Хаотичное движение атомов водорода внутри колбы должно было бы привести к уширению спектральной линии вследствие эффекта Доплера, (см. Доплера эффект). Однако если движение атомов ограничено объёмом, размеры которого меньше длины волны, то спектральная линия приобретает вид узкого пика, возвышающегося над широким низким пьедесталом. В результате этого в водородном 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 водородного генератора, также лежащую в пределах 13-го знака. Погрешность обусловлена взаимодействием атомов водорода с фторпла-стовым покрытием колбы. Значение этой частоты, измеренное при помощи К. с. ч. на пучке атомов Cs (см. выше), равно 1.420.405.751,7860 ± 0,0046 гц. Мощность водородного генератора чрезвычайно мала (~ 10–12 вт). Поэтому К. с. ч. на основе водородного генератора включает в себя, помимо схем сравнения и формирования сетки стандартных частот, чрезвычайно чувствительный приёмник.
Оба описанных К. с. ч. работают в диапазоне сверхвысоких радиочастот (СВЧ). Известен ряд др. атомов и молекул, спектральные линии которых позволяют создавать активные и пассивные К. с. ч. радиодиапазона. Однако они пока не нашли практического применения. Лишь К. с. ч. на атомах рубидия, 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. с. ч. 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 водородном генераторе, не удаётся. Создать же эффективный лазер на пучках атомов или молекул пока также не удаётся. 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. с. ч.(~ 10–13) достигнута с помощью гелий-неонового 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. с. ч. оптического диапазона пока ещё не связаны (в метрологическом смысле) с К. с. ч. 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., Квантовые стандарты частоты, М., 1968, с. 164, 194; Басов Н. Г., Беленов Э. М., Сверхузкие спектральные линии и квантовые стандарты частоты, «Природа», 1972, № 12.
М. Е. Жаботинский.
Рис. 2. Форма спектральной линии в цезиевых стандартах частоты: а — с обычным резонатором; б — в случае П-образного резонатора; n — резонансная частота, Dn — ширина спектральной линии.
Рис. 3. Схема атомнолучевой трубки с П-образным резонатором (обозначения те же, что и на рис. 1).
Рис. 4. Устройство водородного генератора: 1 — источник атомного пучка; 2 — сортирующая система (многополюсный магнит); 3 — резонатор; 4 — накопительная колба.
Рис. 1. Схема атомнолучевой трубки: 1 — источник пучка Cs; 2 и 4 — отклоняющие магниты, создающие неоднородные магнитные поля H1 и H2; 3 — объёмный резонатор, в котором возбуждаются электромагнитные волны, находящийся в постоянном и однородном магнитном поле Н; 5 — раскалённая вольфрамовая проволочка; 6 — коллектор ионов Cs; 7 — измерительный прибор; 8 — область постоянного однородного магнитного поля Н (ограничена пунктиром).
Квантовые часы
Ква'нтовые часы', устройство для точного измерения времени, основной частью которого является квантовый стандарт частоты. Роль «маятника» в К. ч. играют атомы. Частота, излучаемая или поглощаемая атомами при их квантовых переходах из одного энергетического состояния в другое, регулирует ход К. ч. Эта частота настолько стабильна, что К. ч. позволяют измерять время точнее, чем астрономические методы (см. Время). К. ч. часто называют атомными часами.
