Квантові стандарти частоти, пристрої, в яких для точного виміру частоти коливань або для генерування коливань з вельми стабільною частотою використовуються квантові переходи часток (атомів, молекул, іонів) з одного енергетичне стани в інше. До. с. ч. дозволяють вимірювати частоту коливань, а отже, і їх період, тобто час, з найбільшою точністю по порівнянню з ін. стандартами частоти (див. Частоти стандарт,Час ). Це привело до їх впровадження в метрологію . До. с. ч. служать основою національних еталонів частоти і часу і вторинних еталонів частоти, які по класу точності і метрологічним можливостям наближаються до національного еталону, але підлягають калібруванню по ньому. До. 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 до неї істотних спотворень, і порівнювати (з високою точністю) вимірювану частоту з частотою, спектральною лінією, що фіксується. Якість До. 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. с. стрибком переходити із 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 ).
До. с. ч. прийнято розділяти на два класи. У активних До. 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 До. с. ч. вимірювана частота коливань зовнішнього генератора порівнюється з частотою коливань відповідних певному квантовому переходу вибраних атомів, тобто з частотою спектральної лінії. Першими досягли технічної досконалості і сталі доступними пасивні До. 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 133 Cs. Нуль після комою означає, що це число не підлягає подальшій зміні. У цезієвому стандарті частоти спостерігається контур спектральної лінії 133 Cs, відповідною 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 До. с. ч. з пучком атомів Cs є атомнолучевая трубка, в якій підтримується високий вакуум . В одному кінці трубки розташовано джерело пучка атомів Cs — порожнину, в якій знаходиться невелика кількість рідкого Cs ( мал. 1 ). Порожнина сполучена з останньою 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 пари ще мало, і атоми Cs, вилітавши з джерела, пролітають через канали досить рідкий, не стикаючись один з одним. В результаті цього в трубці формується пучок атомів Cs, що слабо розходиться.
В протилежному кінці трубки розташований надзвичайно чутливий приймач (детектор) атомів Cs, здатний зареєструвати нікчемні зміни в інтенсивності пучка атомів. Детектор складається з розжареного вольфрамового зволікання 5 і колектора 6 , між якими включено джерело напруги (позитивний полюс приєднаний до зволікання, а негативний — до колектора). Як тільки атом Cs стосується розжареного вольфрамового зволікання, він віддає їй свій зовнішній електрон (енергія іонізації Cs рівна 3,27 ев , а робота виходу електрона з вольфраму складає 4,5 ев ; див.(дивися) Поверхнева іонізація ). Іон Cs притягується до колектора. Якщо на розжарений вольфрам потрапляє досить багато атомів Cs, то в ланцюзі між колектором і вольфрамовим зволіканням виникає електричний струм, вимірюючи який, можна судити про інтенсивність цезієвого пучка, що попав на детектор.
По дорозі від джерела до детектора пучок атомів Cs проходіт між полюсними наконечниками двох сильних магнітів. Неоднорідне магнітне поле H 1 першого магніта 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 ) направляє (фокусує) на детектор лише атоми, що належать до однієї пари енергетичних рівнів E 1 і E 2 , відхилюючи в сторони останні.
В проміжку між магнітами атоми пролітають через об'ємний резонатор 3 — порожнина з провідними стінками, — в якому збуджуються (за допомогою стабільного кварцевого генератора ) електромагнітні коливання певної частоти. Якщо під впливом цих коливань атом Cs з енергією E 1 перейде в енергетичний стан E 2 , те поле другого магніта відкине його від детектора, оскільки для атома, що перейшов в стан E 2 . поле другого магніта вже не буде таким, що фокусує і цей атом мине детектор. Т. о., струм через детектор виявиться зменшеним на величину, пропорційну числу атомів, що зробили енергетичні переходи під впливом електромагнітного резонатора. Так само будуть зафіксовані переходи атомів Cs із стану E 2 в стан E 1 .
Число атомів, що здійснюють вимушений перехід в одиницю часу під дією електромагнітного поля, максимально, якщо частота електромагнітного поля, що діє на атом, точно збігається з резонансною частотою n 0 = ( E 2 - E 1 )/ h . У міру збільшення неспівпадання (розлади) цих частот число таких атомів зменшується. Тому, плавно міняючи частоту поля поблизу n 0 і відкладаючи по горизонтальній осі частоту n, а по вертикалі зміна струму детектора, отримаємо контур спектральної лінія, відповідний переходу E 1 ® E 2 і назад E 2 ® E 1 ( мал. 2 , а).
Частота n 0 , відповідна вершині спектральної лінії, і є опорною точкою (репером) на шкалі частот, а відповідний нею період коливань прийнятий рівним 1/9 192 631,0 сік .
Точність визначення частоти, відповідній вершині спектральної лінії, як правило, складає декілька відсотків, а в кращому разі — долі відсотка від ширини лінії. Вона тим вище, чим вже спектральна лінія. Цим пояснюється прагнення усунути або принаймні ослабити всі причини, що приводять до розширення використовуваних спектральних ліній.
В цезієвих стандартах розширення спектральної лінії ( мал. 2 , а) обумовлене часом взаємодії атомів з електромагнітним полем резонатора: чим менше це час, тим ширше лінія (див. Неопределенностей співвідношення ). Час взаємодії збігається з часом прольоту атома через резонатор. Воно пропорційне довжині резонатора і обернено пропорційно до швидкості атомів. Але довжина резонатора не може бути зроблена дуже великою (збільшується розсіяння атомного пучка). Істотно зменшити швидкість атомів, знижуючи температуру, також неможливо, оскільки при цьому падає інтенсивність пучка. Збільшення розмірів резонатора утруднене і тим, що він повинен розташовуватися у вельми однорідному по величині і напряму магнітному полі Н . Останнє необхідне 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 типа не можуть спостерігатися зовні магнітного поля, причому частота, відповідна таким переходам, залежить (хоча і слабо) від величини цього поля. Створювати таке поле у великому об'ємі скрутно.
Здобуття вузької спектральної лінії досягається вживанням резонатора П-образної форми ( мал. 3 ). У цьому резонаторі пучок пролітає через отвір поблизу його кінців і лише там взаємодіє з високочастотним електромагнітним полем. Тому лише в двох цих невеликих областях необхідні однорідність і стабільність магнітного поля Н . При цьому перед другим влетом в резонатор атоми «зберігають» результат першої взаємодії з полем. В разі П-образного резонатора спектральна лінія набуває складнішої форми ( мал. 2 , би), 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.
В До. с. ч. з пучком атомів Cs погрішність в значенні частоти n 0 має місце лише в 13-м-коді знаку для унікальних пристроїв (еталонів частоти) і в 12-м-коді знаку для серійних приладів високої точності (вторинних еталонів або стандартів частоти).
В склад До. с. ч. з пучком атомів Cs поряд з атомнолучевой трубкою і кварцевим генератором входять спеціальні радіосхеми, що дозволяють з високою точністю порівнювати вимірювану частоту зовнішніх генераторів з частотою, визначуваною До. с. ч. Крім того, зазвичай цезієвий стандарт доповнюють пристроями, що виробляють набір «цілих» стандартних частот, стабільність яких дорівнює стабільності еталону. Інколи ці системи виробляють і сигнали точного часу. У таких випадках До. с. ч. перетворюється на квантовий годинник .
Унікальні лабораторні зразки До. с. ч. на пучках атомів Cs, що входять до складу національних еталонів частоти і часу, забезпечують відтворення тривалості секунди, а отже всієї системи виміру частоти і часу з відносною погрішністю, меншою чим 10 –11 . Ета відносна погрішність практично не перевищує 10 –12 , але для фіксації цього значення міжнародною угодою необхідне проведення тривалих спостережень. Істотною перевагою До. с. ч. на пучках атомів цезію є те, що їх промислові конструкції забезпечують відтворення номінального значення частоти (часу) з погрішністю 10 –11 , тобто не поступаються по точності еталону. Навіть малогабаритні прилади цього типа, придатні для вживання в умовах звичайних лабораторій і на рухливих об'єктах, працюють з погрішністю не більш 10 –10 , а деякі зразки і 10 –11 .
Найбільш важливим активним До. с. ч. є водневий квантовий генератор ( мал. 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, пролетаємоє атомами водню між їх зіткненнями. За цієї умови атоми водню вилітають з джерела у вигляді вузького пучка. Цей пучок проходіт між полюсними наконечниками багатополюсного магніта 2 . Дія поля, що створюється таким магнітом, таке, що воно фокусує поблизу осі пучка атоми, що знаходяться у збудженому стані, і розкидає в сторони атоми, які знаходяться в основному (незбудженому) стані.
Збуджені атоми пролітають через маленьке отвір в кварцеву колбу 4 , що знаходиться усередині 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 порівняльний великого часу, визначуваного добротністю резонатора, залишаються усередині нього, викликаючи знову вимушене випускання таких же фотонів атомами водню, що влітають пізніше. Т. о., резонатор створює зворотний зв'язок, необхідний для самозбудження генератора (див. Генерування електричних коливань ). Проте 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 кварцеву колбу 4 , стінки якої покриті зсередини тонким шаром фторопласту (тефлону). Збуджені атоми водню можуть ударитися об плівку тефлону більше десяти тисяч разів, не втративши при цьому свою надлишкову енергію. Завдяки цьому в колбі скупчується значне число збуджених атомів водню і середній час перебування кожного з них в резонаторі збільшується приблизно до 1 сік . Цього досить 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 довжина хвилі, що генерується, грає ще одну, надзвичайно важливу роль. Хаотичний рух атомів водню усередині колби повинен був би привести до розширення спектральної лінії унаслідок ефекту Доплера (див. Доплера ефект ). Проте якщо рух атомів обмежений об'ємом, розміри якого менше довжини хвилі, то спектральна лінія набуває вигляду вузького піку, що підноситься над широким низьким п'єдесталом. В результаті цього у 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 лежачу в межах 13-го знаку. Погрішність обумовлена взаємодією атомів водню з фторпла-стовим покриттям колби. Значення цієї частоти, виміряне при допомозі До. с. ч. на пучку атомів Cs (див. вищий), рівне 1.420.405.751,7860 ± 0,0046 гц . Потужність водневого генератора надзвичайно мала (~ 10 –12 Вт ). Тому До. с. ч. на основі водневого генератора включає, окрім схем порівняння і формування сітки стандартних частот, надзвичайно чутливий приймач.
Обидва описаних До. с. ч. працюють в діапазоні надвисоких радіочастот (СВЧ). Відомий ряд ін. атомів і молекул, спектральні лінії яких дозволяють створювати активні і пасивні До. с. ч. радіодіапазону. Проте вони доки не знайшли практичного вживання. Лише До. с. ч. на атомах рубідія, засновані на методі оптичного накачування, широко застосовуються як вторинний стандарт частоти в лабораторній практиці, а також в системах радіонавігації і в квантовому годиннику.
До. с. ч. оптичного діапазону є лазери, в яких прийняті спеціальні заходи для стабілізації частоти їх випромінювання. У оптичному діапазоні доплеровськоє розширення спектральних ліній дуже велике і через малу довжину світлових хвиль подавити його так, як це зроблено у водневому генераторі, не удається. Створити ж ефективний лазер на пучках атомів або молекул доки також не удається. Т. до. в межах доплеровськой 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, тиск, під дією вібрацій, старіння і тому подібне
Найменша відносна погрішність частоти в оптичного До. с. ч.(~ 10 –13 ) досягнута за допомогою неонового для гелію лазера, що генерує на хвилі 3,39 мкм (див. Газовий лазер ). Всередину резонатора лазера поміщена трубка, наповнена метаном при низькому тиску. Метанове вічко 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 тому подібне
До. с. ч. оптичного діапазону поки що не пов'язані (у метрологічному сенсі) з До. с. ч. радіодіапазону, а отже, з одиницею частоти ( гц ) і одиницею часу ( сік ). Безпосередній вимір частоти (порівняння з еталоном) можливий лише в довгохвильовій ділянці інфрачервоного діапазону (3,39 мкм і довше).
Літ.: Квантова електроніка, Маленька енциклопедія, М., 1969, с. 35; Грнгорьянц Ст Ст, Жаботінський М. Е., Золін Ст Ф., Квантові стандарти частоти, М., 1968, с. 164, 194; Басів Н. Р., Беленов Е. М., Надвузькі спектральні лінії і квантові стандарти частоти, «Природа», 1972 № 12.
