Квантові стандарти частоти - фізична енциклопедія

КВАНТОВІ СТАНДАРТИ частоти - пристрої для отримання ел - магн. коливань зі стабільною в часі частотою. Середньоквадратичне відносить. відхилення частоти (відносить. нестабільність) і відносить. похибка відтворення дійсного значення частоти (відтворюваність) К. с. ч. досягає 10 - 14. К. с. ч.- основа еталонів часу і довжини, широко застосовуються в виміряє. техніці, навігації та метрологіч. службі. У К. с. ч. використовуються наиб. стабільні квантові переходи між енергетичних. рівнями атомів або молекул, частоти яких брало розташовані в дециметровому або більш короткохвильових діапазонах довжин хвиль l. Однак для більшості застосувань потрібні високостабільні коливання в радіодіапазоні, а для еталонів часу необхідні коливання з частотою 1 Гц, т. Е. З періодом 1 с. Тому К. с. ч. містять крім пристрою для спостереження спектральної лінії (квантового репера частоти) електронну схему перетворення частоти репера в ін. частотні діапазони. Типи К. с. ч. За способом спостереження спектральної лінії в квантовому репере К. с. ч. підрозділяються на активні і пасивні. Активний репер є квантовим генератором. Застосовують активні К. с. ч. на водневому генераторі і рубідієвого генераторі з оптич. накачуванням (рис. 1).

Мал. 1. Блок-схема активного квантового стандарту частоти.

У пасивному репере спектральна лінія атомів використовується для автопідстроювання по ній частоти допоміжні. генератора. В цьому випадку квантовий репер працює як дискримінатор, що визначає величину і знак відхилення частоти допоміжні. генератора від її номінального значення і усуває це відхилення. У застосовуваних пасивних К. с. ч. реперні спектральні лінії лежать в сантиметровому діапазоні l. При цьому допоміжні. генератором служить кварцовий генератор, а електронна схема забезпечує необхідне перетворення його частоти, спостереження спектральної лінії і автопідстроювання по ній кварцового генератора (рис. 2). Основою пасивних К. с. ч. є що входить до складу репера поглинає осередок, в якій атоми, максимально ізольовані від зовн. впливів, вибірково поглинають ел - магн. випромінювання з частотою f. формованої синтезатором частот з частоти кварцового генератора. Схема порівняння визначає величину і знак різниці Df між частотою f і частотою спектральної лінії fс

Мал. 2. Блок-схема пасивного стандарту частот.

і виробляє керуючий сигнал k Df. смещающий частоту кварцового генератора fк до її номінального значення fн. при к-ром Df = f -fс = 0. При цьому весь набір частот, що виробляється синтезатором частот, максимально наближається до їх номінальним значенням. До пасивних відносяться К. с. ч. на пучку атомів Cs і Rb (див. цезієві атомно-променева трубка) і К. с. ч. на атомах Rb з оптич. накачуванням і індикацією (див. Рубідієвий стандарт частоти). Якщо спектральна лінія знаходиться в ІК або оптич. діапазоні, то допоміжні. генератором служить лазер.

Мал. 3. Блок-схема оптичного стандарту частоти: a - із зовнішнім репером; б - з внутрішнім. Автопідстроювання резонатора необхідна для зменшення ефекту затягування частоти.

Поглинає осередок містить розріджений газ, частота спектральних ліній догрого збігається з частотою лазера (див. Оптичні стандарти частоти). Стабільність частоти визначається в основному характеристиками спектральної лінії в поглинає осередку: її відносить. шириною Dfс / fс і інтенсивністю (пропорц. добутку квадрата матричного елемента переходу на різниця населенностей його рівнів), а також залежністю її частоти від зовн. впливів (магн. і електричні. полів, зміни темп-ри, тиску і т. п.). Відносить. ширина лінії Dfс / fс і її інтенсивність визначають гл. обр. стабільність К. с. ч. за короткі часи спостереження, а ступінь залежності частоти від зовн. впливів обумовлює долговрем. стабільність і відтворюваність частоти. Кратковрем. відносить. нестабільність частоти назад пропорц. в разі пасивної системи твору добротності спектральної лінії fс / Dfс на ставлення сигнал / шум при її індикації, а в разі активної системи - твору fс / Dfс на потужність квантового генератора. Т. к. Потужність квантових генераторів і ставлення сигнал / шум пасивних реперів невеликі, то для отримання кратковрем. відносить. нестабільності частоти

10 - 12 -10 - 14 при часу усереднення t

1 з необхідно fc / Dfc / 10 8 -10 10. Саме ця обставина обмежує знизу діапазон частот для спектральної лінії репера, т. К. Лінії з такою добротністю через розширення не виявляються аж до частот

1000 МГц (см. Ширина спектральних ліній). Відношення сигнал / шум і потужність генерації лінійно залежать від інтенсивності лінії. Тому для отримання необхідного відносини сигнал / шум або потужності генерації необхідно мати макс. різниця населенностей рівнів. Для цього використовуються: сортування пучка атомів або молекул по енергіях за допомогою неоднорідного постійного магн. або електричні. полів (водневий генератор. цезієвого трубка); оптич. накачування, що призводить до порушення больцманівського розподілу атомів по енергіях (рубідієвий генератор, рубідієвий К. с. ч. з оптич. накачуванням і індикацією). Високі вимоги до долговрем. стабільності і відтворюваності можуть бути виконані, якщо відносить. нестабільність частоти спектральної лінії репера [10 - 11 -10 - 14 за обумовлений час. Таке значення можна отримати тільки для переходів, слабо залежать від елект. і магн. полів в умовах ослаблення ін. зовн. впливів. Виконання цих же умов необхідно і для реалізації високої добротності спектральної лінії, проте вони, як правило, несумісні з отриманням великої інтенсивності лінії. Наїб. перспективний спосіб спостережень спектральної лінії в атомному (або молекулярному) пучку. Вимогам, що пред'являються до властивостей квантового переходу, для К. с. ч. в дециметровому і сантиметровому діапазонах l наиб. повно задовольняють переходи F1 = F, mF = 0DF2 = F + 1, mF = 0 між підрівнями магн. надтонкою структури осн. стану атомів Н, Та (F = 0) і лужних металів (F = 1 для 87 Rb, 23 Na і F = 2 для l33 Cs) (див. Атомні спектри, Зеемана ефект). Найбільшого досконалості досягли активний К. с. ч. на водневому генераторі і пасивні на цезієвої трубці і атомах Rb з оптич. накачуванням і індикацією (табл.).

Атомне час. Для К. с. ч. використовуваних в службі часу, найважливішими характеристиками є точність частоти (нескомпенсованих систематич. відносить. похибка відтворення частоти необуреного переходу) і відносить. похибка відтворюваності. Ці характеристики найкращі у К. с. ч. на цезієвої атомно-променевої трубки. У 1964 Міжнародний комітет з питань мір і ваг прийняв як еталон частоти перехід F1 = 3, mF = 0DF2 = 4, mF = 0 між підрівнями надтонкої магн. структури осн. стану атомів 133 Cs, що не обуреного зовн. полями, приписавши його частоті значення 9192631770 Гц. Відповідна шкала часу зв. атомної, а одиниця часу у ній - атомна секунда - визначена як 9192631770 періодів резонансного коливання 137 Cs. Т. о. К. с. ч. на цезієвої атомно-променевої трубки визнаний первинним стандартом (еталоном), по відношенню до до-рому стандарти ін. типів є вторинними. Літ .: Григорьянц В. В. Жаботинський М. Б. Золін В.Ф. Квантові стандарти частоти, М. 1968; Л е т о х о в B.C. Чеботаєв В. П. Принципи нелінійної лазерної спектроскопії, М. 1975. В. Я. Базаров.