Квантовые стандарты частоты, устройства, в которых для точного измерения частоты колебаний или для генерирования колебаний с весьма стабильной частотой используются квантовые переходы частиц (атомов, молекул, ионов) из одного энергетическое состояния в другое. К. с. ч. позволяют измерять частоту колебаний, а следовательно, и их период, т. е. время, с наибольшей точностью по сравнению с др. стандартами частоты (см. Частоты стандарт, Время). Это привело к их внедрению в метрологию. К. с. ч. служат основой национальных эталонов частоты и времени и вторичных эталонов частоты, которые по классу точности и метрологическим возможностям приближаются к национальному эталону, но подлежат калибровке по нему. К. с. ч. применяются как лабораторные стандарты частоты, имеющие широкий набор выходных частот и снабженные устройством для сравнения измеряемой частоты с частотой стандарта, а также как реперы частоты, которые позволяют наблюдать выбранную спектральную линию, не внося в неё существенных искажений, и сравнивать (с высокой точностью) измеряемую частоту с частотой, фиксируемой спектральной линией. Качество К. с. ч. характеризуется их стабильностью — способностью сохранять выбранное значение частоты неизменным в течение длительного промежутка времени.
Квантовые законы накладывают весьма жёсткие ограничения на состояние атомов. Под действием внешнего электромагнитного поля определённой частоты атомы могут либо возбуждаться, т. с. скачком переходить из состояния с меньшей энергией E1 в состояние с большей энергией E2, поглощая при этом порцию (квант) энергии электромагнитного поля, равную:
hn = E2 - E1,
либо переходить в состояние с меньшей энергией, излучая электромагнитные волны той же частоты (см. Атом, Квантовая электроника).
К. с. ч. принято разделять на два класса. В активных К. с. ч. квантовые переходы атомов и молекул непосредственно приводят к излучению электромагнитных волн, частота которых служит стандартом или опорной частотой. Такие приборы называются также квантовыми генераторами. В пассивных К. с. ч. измеряемая частота колебаний внешнего генератора сравнивается с частотой колебаний, соответствующих определённому квантовому переходу выбранных атомов, т. е. с частотой спектральной линии. Первыми достигли технического совершенства и стали доступными пассивные К. с. ч. на пучках атомов цезия (цезиевые стандарты частоты). В 1967 международным соглашением длительность секунды определена как 9.192.631.770,0 периодов колебаний, соответствующих определённому энергетическому переходу атомов единственного стабильного изотопа цезия 133Cs. Нуль после запятой означает, что это число не подлежит дальнейшему изменению. В цезиевом стандарте частоты наблюдается контур спектральной линии 133Cs, соответствующей переходу между 2 выбранными уровнями энергии E2 и E1. Частота, соответствующая вершине этой линии, фиксируется и с ней при помощи специальных устройств сравниваются измеряемые частоты.
Главной частью К. с. ч. с пучком атомов Cs является атомнолучевая трубка, в которой поддерживается высокий вакуум. В одном конце трубки расположен источник пучка атомов Cs — полость, в которой находится небольшое количество жидкого Cs (рис. 1). Полость соединена с остальной трубкой узким каналом или набором параллельных каналов. Источник поддерживается при температуре около 100 °С, когда Cs находится в жидком состоянии (температура плавления Cs 29,5 °С), по давление его паров ещё мало, и атомы Cs, вылетая из источника, пролетают через каналы достаточно редко, не сталкиваясь друг с другом. В результате этого в трубке формируется слабо расходящийся пучок атомов Cs.
В противоположном конце трубки расположен чрезвычайно чувствительный приёмник (детектор) атомов Cs, способный зарегистрировать ничтожные изменения в интенсивности пучка атомов. Детектор состоит из раскалённой вольфрамовой проволочки 5 и коллектора 6, между которыми включен источник напряжения (положительный полюс присоединён к проволочке, а отрицательный — к коллектору). Как только атом Cs касается раскалённой вольфрамовой проволочки, он отдаёт ей свой внешний электрон (энергия ионизации Cs равна 3,27 эв, а работа выхода электрона из вольфрама составляет 4,5 эв; см. Поверхностная ионизация). Ион Cs притягивается к коллектору. Если на раскалённый вольфрам попадает достаточно много атомов Cs, то в цепи между коллектором и вольфрамовой проволочкой возникает электрический ток, измеряя который, можно судить об интенсивности цезиевого пучка, попавшего на детектор.
По пути от источника к детектору пучок атомов Cs проходит между полюсными наконечниками двух сильных магнитов. Неоднородное магнитное поле H1 первого магнита расщепляет пучок атомов Cs на несколько пучков, в которых летят атомы, обладающие различными энергиями (находящиеся на разных энергетических уровнях). Второй магнит (поле H2) направляет (фокусирует) на детектор только атомы, принадлежащие к одной паре энергетических уровней E1 и E2, отклоняя в стороны остальные.
В промежутке между магнитами атомы пролетают через объёмный резонатор 3 — полость с проводящими стенками, — в котором возбуждаются (с помощью стабильного кварцевого генератора) электромагнитные колебания определённой частоты. Если под влиянием этих колебаний атом Cs с энергией E1 перейдёт в энергетическое состояние E2, то поле второго магнита отбросит его от детектора, т.к. для атома, перешедшего в состояние E2. поле второго магнита уже не будет фокусирующим и этот атом минует детектор. Т. о., ток через детектор окажется уменьшенным на величину, пропорциональную числу атомов, совершивших энергетические переходы под влиянием электромагнитного резонатора. Таким же образом будут зафиксированы переходы атомов Cs из состояния E2 в состояние E1.
Число атомов, совершающих вынужденный переход в единицу времени под действием электромагнитного поля, максимально, если частота действующего на атом электромагнитного поля точно совпадает с резонансной частотой n0 = (E2 - E1)/h. По мере увеличения несовпадения (расстройки) этих частот число таких атомов уменьшается. Поэтому, плавно меняя частоту поля вблизи n0 и откладывая по горизонтальной оси частоту n, а по вертикали изменение тока детектора, получим контур спектральной линия, соответствующий переходу E1 ® E2 и обратно E2 ® E1 (рис. 2, а).
Частота n0, соответствующая вершине спектральной линии, и является опорной точкой (репером) на шкале частот, а соответствующий ей период колебаний принят равным 1/9 192 631,0 сек.
Точность определения частоты, соответствующей вершине спектральной линии, как правило, составляет несколько процентов, а в лучшем случае — доли процента от ширины линии. Она тем выше, чем уже спектральная линия. Этим объясняется стремление устранить или по крайней мере ослабить все причины, приводящие к уширению используемых спектральных линий.
В цезиевых стандартах уширение спектральной линии (рис. 2, а) обусловлено временем взаимодействия атомов с электромагнитным полем резонатора: чем меньше это время, тем шире линия (см. Неопределённостей соотношение). Время взаимодействия совпадает со временем пролёта атома через резонатор. Оно пропорционально длине резонатора и обратно пропорционально скорости атомов. Но длина резонатора не может быть сделана очень большой (увеличивается рассеяние атомного пучка). Существенно уменьшить скорость атомов, понижая температуру, также невозможно, т.к. при этом падает интенсивность пучка. Увеличение размеров резонатора затруднено и тем, что он должен располагаться в весьма однородном по величине и направлению магнитном поле Н. Последнее необходимо потому, что используемые энергетические переходы в атомах Cs обусловлены изменением ориентации магнитного момента ядра атома Cs относительно магнитного момента его электронной оболочки (см. Электронный парамагнитный резонанс). Переходы такого типа не могут наблюдаться вне магнитного поля, причём частота, соответствующая таким переходам, зависит (хотя и слабо) от величины этого поля. Создавать такое поле в большом объёме затруднительно.
Получение узкой спектральной линии достигается применением резонатора П-образной формы (рис. 3). В этом резонаторе пучок пролетает через отверстие вблизи его концов и только там взаимодействует с высокочастотным электромагнитным полем. Поэтому только в двух этих небольших областях необходимы однородность и стабильность магнитного поля Н. При этом перед вторым влетом в резонатор атомы «сохраняют» результат первого взаимодействия с полем. В случае П-образного резонатора спектральная линия приобретает более сложную форму (рис. 2, б), отражающую и время пролёта в электромагнитном поле внутри резонатора (широкий пьедестал), и полное время пролёта между обоими концами резонатора (узкий центральный пик). Именно узкий центральный пик служит для фиксации частоты.
В К. с. ч. с пучком атомов Cs погрешность в значении частоты n0 имеет место лишь в 13-м знаке для уникальных устройств (эталонов частоты) и в 12-м знаке для серийных приборов высокой точности (вторичных эталонов или стандартов частоты).
В состав К. с. ч. с пучком атомов Cs наряду с атомнолучевой трубкой и кварцевым генератором входят специальные радиосхемы, позволяющие с высокой точностью сравнивать измеряемую частоту внешних генераторов с частотой, определяемой К. с. ч. Кроме того, обычно цезиевый стандарт дополняют устройствами, вырабатывающими набор «целых» стандартных частот, стабильность которых равна стабильности эталона. Иногда эти системы вырабатывают и сигналы точного времени. В таких случаях К. с. ч. превращается в квантовые часы.
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).