Квантовий годинник, пристрій для точного виміру часу, основною частиною якого є квантовий стандарт частоти . Роль «маятника» в До. ч. грають атоми. Частота, що випромінюється або поглинається атомами при їх квантових переходах з одного енергетичного стану в інше, регулює хід До. ч. Ета частота настільки стабільна, що До. ч. дозволяють вимірювати час точніше, ніж астрономічні методи (див. Час ). До. ч. часто називають атомними годинами.
До. ч. застосовуються в системах радіонавігація, в астрономічних обсерваторіях, в дослідницьких і контрольно-вимірювальних лабораторіях і т.п., замінюючи собою менш досконалі кварцевий годинник .
Сигнали квантових стандартів частоти самі по собі не можуть бути використані для обертання годинникового механізму, оскільки потужність цих сигналів нікчемно мала, а частота коливань, як правило, вельми висока і має нецілочисельне значення (наприклад потужність атомного водневого генератора складає 10 –11 —10 –12 Вт , а частота рівна 1420,406 Мгц ). Це утрудняє безпосереднє використання квантових стандартів частоти в службі часу, в різних навігаційних системах, а також в лабораторній практиці. У цих випадках зручніше мати набір (сітку) стандартних високостабільних частот: 1 кгц , 10 кгц , 100 кгц , 1 Мгц і так далі при високій потужності вихідного сигналу. Тому До. ч., окрім квантового стандарту частоти, містять спеціальні радіотехнічні пристрої, що формують таку сітку частот і що забезпечують обертання стрілок годинника (або зміну цифр на їх циферблаті) і видачу сигналів точного часу.
Більшість До. ч. містить допоміжний кварцевий генератор . Із-за зміни частоти кварцевого генератора в часу (старіння) точність кварцевого годинника, що базується на нім, була б сама по собі недостатньо висока. У ДО. ч. частота кварцевого генератора контролюється за допомогою квантового стандарту частоти, завдяки чому точність годинника підвищується до рівня точності самого квантового стандарту. Проте введення періодичних поправок оператором не завжди зручно. Для деяких пристроїв, зокрема навігаційних, раціональніше підвищення стабільності частоти кварцевого генератора за допомогою автоматичного підстроювання його частоти до частоти квантового стандарту.
В одному з варіантів такого підстроювання (фазове автопідстроювання частоти, мал. 1 ) частота n кв кварцевого генератора (зазвичай ~ 10—20 Мгц ) умножається радіотехнічними засобами в потрібне число ( n ) разів і в змішувачі віднімається з частоти квантового стандарту n ст . Підбором конкретних значень n кв і n різницеву частоту D = (n ст — п n кв ) можна зробити приблизно рівній частоті кварцевого генератора: n кв = (n ст — n n kв ).
Після посилення сигнал різницевої частоти (n ст — n n kв ) подається на один вхід фазового детектора, а на іншій його вхід подаються коливання кварцевого генератора. Фазовий детектор виробляє напруга, величина і знак якого залежать від відхилення різницевої частоти D і частоти кварцевого генератора n кв один від одного. Ця напруга подається потім на блок управління частотою кварцевого генератора і викликає зрушення частоти генератора, який компенсує відхилення n кв від різницевої частоти D. Т. о., будь-яку зміну частоти кварцевого генератора викликає поява на виході блоку управління напруги відповідної величини і знаку, що зрушує частоту у зворотному напрямі. Тому частота кварцевого генератора автоматично підтримується незмінною. В результаті стабільність його частоти стає практично рівній стабільності частоти квантового стандарту. Синтезатор частот формує з сигналу кварцевого генератора сітки настільки ж точних стандартних частот. Одна з них служить для живлення електричного годинника, а останні використовуються для метрологічних і ін. цілей.
Погрішність ходу кращих До. ч. такого типа при ретельному виготовленні і налаштуванні складає не більше 1 сік за декілька тис. років. Перші До. ч. були створені в 1957. Стандартом частоти в них служив молекулярний генератор на пучку молекул аміаку. Створені пізніше До. ч., у яких використовується квантовий стандарт частоти з пучком атомів цезію, не потребують калібруванню по еталону, оскільки номінальне значення опорної частоти може бути встановлене на основі маніпуляцій в самому приладі. Недоліки цих До. ч. — велика вага і чутливість до вібрацій. У ДО. ч. іншого типа (найбільш поширених) застосовується рубідієвий стандарт частоти з оптичним накачуванням. Вони легші, компактнєє, не бояться вібрацій, але потребують калібрування, після чого вони підтримують встановлене значення частоти з погрішністю порядку 10 –11 протягом року.
Основною частиною рубідієвих До. ч. є спеціальний радіоспектроскоп з оптичним накачуванням і оптичною індикацією, що фіксує спектральну лінію ізотопу 87 Rb, лежачу в діапазоні СВЧ(надвисокі частоти). Спектроскоп містить об'ємний резонатор 3 , в якому знаходиться колба 2 з парами ізотопу 87 Rb ( мал. 2 ) при тиску 10 –6 мм рт . ст . Резонатор налаштований на частоту спектральної лінії 87 Rb, рівну 6835 Мгц . Чутливість звичайного радіоспектроскопа недостатня для того, щоб зафіксувати радіочастотну лінію 87 Rb. Для збільшення чутливості використовуються оптичне накачування пари 87 Rb і оптична індикація спектральної лінії. На атоми 87 Rb прямує світло частота якого збігається з частотою ін. спектральної лінії 87 Rb, лежачою в оптичному діапазоні. Газорозрядна лампа 1 низького тиску з парами 87 Rb освітлює колбу. Світло, прошедший крізь колбу, потрапляє на фотоприймач (наприклад, фотоелектронний помножувач ). Під дією світла рубідієвої лампи (накачування) атоми 87 Rb збуджуються, тобто переходять із стану з енергією E 2 в стан з енергією E 3 ( мал. 3 ). Якщо інтенсивність світла досить висока, то настає насичення — число атомів, що знаходяться в станах E 2 і E 3 , стає однаковим. При цьому поглинання світла в парах зменшується (т.к. число незбуджених часток на рівні E 2 , здатних поглинати кванти світла, зменшується) і пари 87 Rb стають прозорішими, ніж вони були б при дії на них накачування. Якщо одночасно з накачуванням пари 87 Rb опромінити радіохвилею, частота якої дорівнює частоті спектральної лінії, лежачої в діапазоні СВЧ(надвисокі частоти) і відповідною переходам атомів 87 Rb між рівнями E 1 і E 2 , то, поглинаючись, вона переводить атоми 87 Rb з рівня E 1 на рівень E 2 ( мал. 3 ). Така радіохвиля перешкоджатиме дії світлової хвилі, що насичує, внаслідок чого поглинання світла в парах 87 Rb збільшиться. Т. о., вимірюючи за допомогою фотоприймача інтенсивність світла, що пройшло через колбу з парами 87 Rb, можна точно визначити, чи діють одночасно на ці пари світло з частотою, відповідною переходу E 2 ® E 3 , і радіохвиля з частотою переходу E 1 ® E 2 . Джерелом радіохвилі служить кварцевий генератор, збуджуючий в резонаторі електромагнітне поле резонансної частоти. Якщо плавно змінювати частоту генератора, то у момент її збігу з частотою радіоспектральної лінії 87 Rb інтенсивність світла, що потрапляє на фотоприймач, різко зменшиться.
Залежність інтенсивності світла, що пройшло через пари 87 Rb, від частоти радіохвилі використовується для автоматичного підстроювання частоти коливань кварцевого генератора по частоті радіоспектральної лінії. Коливання кварцевого генератора модулюються по фазі за допомогою допоміжного генератора низької частоти (див. Модуляція коливань,Фазова модуляція ). Тому світло, що проходить через колбу, виявляється модульованим по інтенсивності тією ж низькою частотою. Модуляція світла тим сильніше, чим точніше збігається частота електромагнітного поля в резонаторі з частотою радіоспектральної лінії 87 Rb. Електричний сигнал фотоприймача після посилення подається на фазовий детектор, на який поступає також сигнал безпосередньо від низькочастотного генератора. Амплітуда вихідного сигналу фазового детектора тим більше, чим менше різниця частот (розлад) частоти спектральної лінії і поля резонатора. Цей сигнал подається на елемент, що змінює частоту кварцевого генератора, і підтримує її значення таким, щоб воно точно збігалося з вершиною спектральної лінії 87 Rb.
Точність рубідієвих До. ч. визначається головним чином шириною радіоспектральної лінії 87 Rb. Основний причиною, що приводить до розширення спектральних ліній газів (пари) при низькому тиску, є Доплера ефект . Для зменшення його впливу в колбу з парами 87 Rb додається буферний газ (при тиску декілька мм рт . ст .). Атоми 87 Rb, стикаючись з атомами буферного газу, виявляються як би затиснутими між ними і здійснюють швидкі хаотичні рухи, залишаючись в середньому майже на одному місці, лише повільно дифундує усередині колби. В результаті спектральна лінія набуває вигляду вузького піку на широкому низькому п'єдесталі. Ширина і положення цього піку залежать від складу буферного газу. Наприклад, суміш з 50% неону і 50% аргону дозволяє звести ширину спектрального піку Приблизно до 100 гц , причому його положення зміщується лише на 0,02 гц при зміні температури на 1°С або тиску на 1 мм рт . см .
Точність рубідієвих До. ч. обумовлена також постійністю інтенсивності світла лампи накачування, тому застосовуються системи автоматичного регулювання інтенсивності. Можливе створення рубідієвих До. ч., у яких замість описаної системи оптичної індикації використовується квантовий генератор з парами рубідія. У цих До. ч. застосовуються настільки інтенсивне оптичне накачування і резонатор з настільки високою добротністю, що в нім виконуються умови самозбудження. При цьому пари 87 Rb, що наповнюють колбу усередині резонатора, випромінюють електромагнітні хвилі на частоті 6835 Мгц . Радіосхема таких До. ч. також містить кварцевий генератор і синтезатор, але на відміну від попереднього частота кварцевого генератора управляється системою фазового автопідстроювання, в якій опорной є частота сигналу рубідієвого генератора.
Літ.: Квантова електроніка. Маленька енциклопедія, М., 1969, с. 35, 241; Грігорьянц Ст Ст, Жаботінський М. Е., Золін Ст Ф., Квантові стандарти частоти, М., 1968, с. 171.
