10.2. Квантовые стандарты частоты (ксч)

Общие сведения. Все КСЧ основаны на использовании спектральных линий атомов и молекул в СВЧ диапазоне. В каждом КСЧ можно выделить два основных блока. Один из них обеспе­чивает наблюдение спектральной линии, т. е. является квантовым репером частоты. Во втором блоке частота репера преобразуется к необходимому значению. Реперы частоты подразделяются на активные и пассивные. Активный репер, генерирует колебания, частота которых определяется спектральной линией вещества, а пассивный репер по спектральной линии поддерживает постоян­ство частоты вспомогательного генератора. Соответственно кван­товые стандарты частоты называют активными или пассивными. В КСЧ используются вещества с узкими спектральными линиями и с очень слабой зависимостью частоты квантовых переходов от внешних воздействий.

Пассивные квантовые стандарты частоты. К этим стандартам относятся стандарты с оптической накачкой и атомно-лучевые стандарты.

Стандарты с оптической накачкой. Рабочей сре­дой таких стандартов служат атомы щелочных металлов рубидия или цезия. Схема пассивного стандарта частоты приведена на рис. 10.9. В качестве источника света используют газосветную лампу с парами рубидия (или цезия).

В объемном резонаторе находится колба также с парами рубидия (или цезия). Излу­чение газосветной лампы попадает в колбу после прохождения оптического фильтра . Резонатор возбуждается от СВЧ гене­ратора с системой автоматической подстройки частоты. Про­шедший через колбу свет регистрируется фотодетектором .

Принцип работы прибора можно пояснить с помощью диаг­рамм энергетических уровней (рис. 10.10.) На рис. 10.10а показа­но распределение Больцмана для населенности трех уровней ра­бочего вещества в колбе, когда через нее не проходит свет, а в резонаторе отсутствует СВЧ поле.

Переход соответствует оптическому диапазону, а диапазону СВЧ. Те же уровни и имеются и у вещества в источнике света, так как там находится тот же газ. Поэтому излучение источника имеет час­тоты, соответствующие указанным уровням. С помощью оптичес­кого фильтра выделяется излучение с частотой перехода .

В результате воздействия на газ в колбе света с частотой увеличивается населенность уровня и уменьшается населенность уровня (рис. 10.10б), а свет поглощается.

Теперь предположим, что в резонаторе имеется СВЧ поле с час­тотой , равной частоте перехода . Так как населенность уровня больше населенности уровня (), то энергия СВЧ поля поглощается, населенность уровня уменьшается, а уровня возрастает. Следовательно, разность населенностей уров­ней и увеличивается и поглощение света возрастает. Поэтому ток фотодетектора уменьшается. Зависимость тока фотодетекто­ра от частоты СВЧ генератора показана на рис. 10.96. При наблюдается наибольшее поглощение света. Рассмотрен­ную зависимость поглощения света от частоты поля в резона­торе можно использовать для автоматической подстройки часто­ты (см. рис. 10.9а) СВЧ генератора под частоту перехода .

Атомно-лучевые стандарты. Работа атомно-лучевого стандарта основана на использовании магнитного момента ато­мов, обычно атомов цезия. Схема атомно-лучевого стандарта частоты показана на рис. 10.11. Пучок атомов с малой угловой рас­ходимостью создается источником . Пучок атомов входит в про­странство между полюсами первого отклоняющего магнита , где имеется резко неоднородное магнитное поле.

Как известно, на частицу, обладающую магнитным моментом, в магнитном поле, действует сила, равная градиенту потенциаль­ной энергии , но противоположная ему по знаку:

. (10.16)

Другими словами, частица в магнитном поле должна смещать­ся в область, где ее энергия становится меньше.

Если магнитное поле измеряется только в одном направлении , то вместо (10.16) следует записать

. (10.17)

Градиент поля определяется формой полюсов магнита. В одно­родном поле и, следовательно, . На рис. 10.11 градиент поля направлен вниз, так как поле увеличивается к ниж­нему полюсу. Величину и знак можно определить, если известны квантовые числа и , характеризующие полный магнитный момент атома и проекцию этого момента [25].

На рис. 10.11 показано движение атомов с учетом начальной расходимости потока. Предположим, что по одному и тому же направлению вверх из источника выходят атом с квантовым состоянием и атом с квантовым состояни­ем . Вследствие противоположного знака сил, действующих на эти атомы в неоднородном магнитном поле первого магнита , атом , уйдет вверх, а атом отклонится вниз, пересечет ось прибора в щели диафрагмы и войдет во второй магнит . В нем снова отклонится вниз, так как направления поля и градиен­та поля в обоих магнитах одинаковы. Следовательно, атом удалится от оси прибора.

Аналогично рассматривается движение атомов с состояни­ем и с состоянием , вышедших из источников под одинаковым углом вниз. Атом сразу уйдет вниз, а атом , пройдя весь прибор, удалится от оси.

Предположим теперь, что в резонаторе имеется СВЧ поле, частота которого совпадает с частотой квантового перехода со­стояний и . Под воздействием СВЧ поля атомы могут со­вершить вынужденные переходы. Если атом перейдет из состо­яния в состояние , то во втором магните изменится знак силы и этот атом отклонится к оси прибора. Аналогично переход атома из состояния в состояние сопровождается от­клонением его к оси. Соответствующие траектории показаны на рис. 10.11 пунктирными линиями.

Число атомов, приходящих на детектор , очевидно, пропорци­онально сумме чисел переходов сверху вниз из состояния в состояние и снизу вверх из состояния в состояние при прохождении СВЧ поля резонатора.

В атомно-лучевом стандарте резонатор возбуждается от вспомогательного СВЧ генератора, частота которого может плавно изменяться в некоторых пределах. В процессе изменения частоты ток детектора изменяется таким образом, что его макси­мальное значение наступает при совпадении частоты с часто­той квантового перехода между состояниями и . Эту зависимость можно использовать для создания схемы подстрой­ки частоты генератора под частоту перехода .

Относительная стабильность атомно-лучевого стандарта на пучке атомов цезия лучше за сутки и за . Стан­дарт имеет высокую воспроизводимость частоты при включениях.

Активные квантовые стандарты частоты. Рассмотрим принцип действия квантового генератора на пучке атомов водорода, в ко­тором для получения инверсии населенностей уровней использу­ется метод пространственной сортировки.

Схема водородного генератора показана на рис. 10.12. Атомар­ный водород получается в камере источника в результате дис­социации молекул водорода. Поток атомов входит в сортирующую систему с неоднородным магнитным полем. Атомы с различными магнитными моментами сортируются в пространстве. Происходит это по тому, что атомы, обладающие магнитным моментом, под дей­ствием силы (10.16) смещаются в область, где их потенциальная энергия минимальна. В результате сортировки по состояниям в некотором объеме вблизи оси за сортирующей системой создается инверсия населенностей. Если интенсивность потока атома превышает пороговое значение то в резонаторе установятся СВЧ колебания.

Для ослабления влияния внешних магнитных полей на частоту перехода, а следовательно, и на стабильность частоты генерато­ра резонатор помещен в многослойный экран .

Важной особенностью атомарного водорода является слабая зависимость внутреннего состояния атомов от числа соударений с такими материалами, как парафин или тефлон. В ячейках с тефлоновым пленочным покрытием атом водорода может испытать соударений, не изменив своего квантового состояния. Это поз­воляет увеличить время взаимодействия частиц с электромагнит­ным полем резонатора до секунды и скомпенсировать малость магнитного момента атома водорода. (Поэтому ячейки с тефлоновым покрытием получили название накопительных.) Это увеличе­ние времени жизни частиц на уровне приводит также к сужению спектральной линии излучения (§ 9.3), что очень важно для по­вышения стабильности частоты. Однако рассеяние атомов при соударениях с покрытием ячейки превращает начальный парал­лельный поток атомов, вошедших в ячейку, в поток со всеми на­правлениями с максвелловским распределением скоростей, что должно приводить к доплеровскому уширению спектральной ли­нии (§ 9.3). Этот нежелательный результат можно исключить, если сделать линейные размеры ячейки много меньше длины вол­ны излучения. Частота водородного генератора . Этот генератор имеет наилучшие долговременную и кратковременную стабильности и воспроизводимость частоты и используется как первичный стандарт. Цезиевый атомно-лучевой стандарт также обладает высокой воспроизводи­мостью и долговременной стабильностью, но имеет недостаточную кратковременную стабильность. Этот стандарт так­же используется как первичный. Рубидиевый стандарт частоты с оптической накачкой (воспроизводимость ) требует калибров­ки по первичному стандарту.