|
|
Большая Советская Энциклопедия (цитаты)
|
|
|
|
|
Квантовые часы | Квантовые часы (далее К) устройство для точного измерения времени, основной частью которого является квантовый стандарт частоты. Роль "маятника" в К играют Частота, излучаемая или поглощаемая при их квантовых переходах из одного энергетического состояния в другое, регулирует ход К Эта частота настолько стабильна, что К позволяют измерять время точнее, чем астрономические методы (см. Время). К часто называют часами.
К применяются в системах радионавигации, в астрономических обсерваториях, в исследовательских и контрольно-измерительных лабораториях и т.п., заменяя собой менее совершенные кварцевые часы.
Сигналы квантовых стандартов частоты сами по себе не могут быть использованы для вращения часового механизма, т.к. мощность этих сигналов ничтожно мала, а частота колебаний, как правило, весьма высока и имеет нецелочисленное значение (например мощность генератора составляет 10–11—10–12 вт, а частота равна 1420,406 Мгц). Это затрудняет непосредственное использование квантовых стандартов частоты в службе времени, в различных навигационных системах, а также в лабораторной практике. В этих случаях более удобно иметь набор (сетку) стандартных высокостабильных частот: 1 кгц, 10 кгц, 100 кгц, 1 Мгц и т.д. при высокой мощности выходного сигнала. Поэтому К, помимо квантового стандарта частоты, содержат специальные радиотехнические устройства, формирующие такую сетку частот и обеспечивающие вращение стрелок часов (или смену цифр на их циферблате) и выдачу сигналов точного времени.
Большинство К содержит вспомогательный кварцевый генератор. Из-за изменения частоты кварцевого генератора во времени (старения) точность базирующихся на нем кварцевых часов была бы сама по себе недостаточно высока. В К частота кварцевого генератора контролируется с помощью квантового стандарта частоты, благодаря чему точность часов повышается до уровня точности самого квантового стандарта. Однако введение периодических поправок оператором не всегда удобно. Для некоторых устройств, в частности навигационных, более рационально повышение стабильности частоты кварцевого генератора с помощью автоматической подстройки его частоты к частоте квантового стандарта.
В одном из вариантов такой подстройки (фазовая автоподстройка частоты, рис. 1) частота nкв кварцевого генератора (обычно ~ 10—20 Мгц) умножается радиотехническими средствами в нужное число (n) раз и в смесителе вычитается из частоты квантового стандарта nст. Подбором конкретных значений nкв и n разностную частоту D = (nст — пnкв) можно сделать приблизительно равной частоте кварцевого генератора: nкв = (nст — nnkв).
После усиления сигнал разностной частоты (nст — nnkв) подается на один вход фазового а на другой его вход подаются колебания кварцевого генератора. Фазовый вырабатывает напряжение, величина и знак которого зависят от отклонения разностной частоты D и частоты кварцевого генератора nкв друг от друга. Это напряжение подается затем на блок управления частотой кварцевого генератора и вызывает сдвиг частоты генератора, который компенсирует отклонение nкв от разностной частоты D. Т. о., любое изменение частоты кварцевого генератора вызывает появление на выходе блока управления напряжения соответствующей величины и знака, сдвигающего частоту в обратном направлении. Поэтому частота кварцевого генератора автоматически поддерживается неизменной. В результате стабильность его частоты становится практически равной стабильности частоты квантового стандарта. Синтезатор частот формирует из сигнала кварцевого генератора сетки столь же точных стандартных частот. Одна из них служит для питания электрических часов, а остальные используются для метрологических и др. целей.
Погрешность хода лучших К такого типа при тщательном изготовлении и настройке составляет не более 1 сек за несколько тыс. лет. Первые К были созданы в 1957. Стандартом частоты в них служил молекулярный генератор на пучке молекул аммиака. Созданные позднее К, в которых используется квантовый стандарт частоты с пучком не нуждаются в по эталону, т.к. номинальное значение опорной частоты может быть установлено на основе манипуляций в самом приборе. Недостатки этих К — большой вес и чувствительность к вибрациям. В К другого типа (наиболее распространенных) применяется стандарт частоты с оптической накачкой. Они легче, компактнее, не боятся вибраций, но нуждаются в после чего они поддерживают установленное значение частоты с погрешностью порядка 10–11 в течение года.
Основной частью К является специальный радиоспектроскоп с оптической накачкой и оптической индикацией, фиксирующий спектральную линию изотопа 87, лежащую в диапазоне СВЧ. Спектроскоп содержит объемный резонатор 3, в котором находится колба 2 с парами изотопа 87 (рис. 2) при давлении 10–6 мм рт. ст. Резонатор настроен на частоту спектральной линии 87, равную 6835 Мгц. Чувствительность обычного радиоспектроскопа недостаточна для того, чтобы зафиксировать радиочастотную линию 87. Для увеличения чувствительности используются оптическая накачка паров 87 и оптическая индикация спектральной линии. На 87 направляется свет, частота которого совпадает с частотой др. спектральной линии 87, лежащей в оптическом диапазоне. Газоразрядная лампа 1 низкого давления с парами 87 освещает колбу. Свет, прошедший сквозь колбу, попадает на фотоприемник (например, фотоэлектронный умножитель). Под действием света лампы (накачка) 87 возбуждаются, т. е. переходят из состояния с энергией E2 в состояние с энергией E3 (рис. 3). Если интенсивность света достаточно высока, то наступает насыщение — число находящихся в состояниях E2 и E3, становится одинаковым. При этом поглощение света в парах уменьшается (т.к. число невозбужденных частиц на уровне E2, способных поглощать кванты света, уменьшается) и пары 87 становятся прозрачнее, чем они были бы при воздействии на них накачки. Если одновременно с накачкой пары 87 облучить радиоволной, частота которой равна частоте спектральной линии, лежащей в диапазоне СВЧ и соответствующей переходам 87 между уровнями E1 и E2, то, поглощаясь, она переводит 87 с уровня E1 на уровень E2 (рис. 3). Такая радиоволна будет препятствовать насыщающему действию световой волны, в результате чего поглощение света в парах 87 увеличится. Т. о., измеряя при помощи фотоприемника интенсивность света, прошедшего через колбу с парами 87, можно точно определить, действуют ли одновременно на эти пары свет с частотой, соответствующей переходу E2 ® E3, и радиоволна с частотой перехода E1 ® E2. Источником радиоволны служит кварцевый генератор, возбуждающий в резонаторе электромагнитное поле резонансной частоты. Если плавно изменять частоту генератора, то в момент ее совпадения с частотой радиоспектральной линии 87 интенсивность света, попадающего на фотоприемник, резко уменьшится.
Зависимость интенсивности света, прошедшего через пары 87, от частоты радиоволны используется для автоматической подстройки частоты колебаний кварцевого генератора по частоте радиоспектральной линии. Колебания кварцевого генератора модулируются по фазе при помощи вспомогательного генератора низкой частоты (см. Модуляция колебаний, Фазовая модуляция). Поэтому свет, проходящий через колбу, оказывается модулированным по интенсивности той же низкой частотой. Модуляция света тем сильнее, чем точнее совпадает частота электромагнитного поля в резонаторе с частотой радиоспектральной линии 87. Электрический сигнал фотоприемника после усиления подается на фазовый на который поступает также сигнал непосредственно от низкочастотного генератора. Амплитуда выходного сигнала фазового тем больше, чем меньше разность частот (расстройка) частоты спектральной линии и поля резонатора. Этот сигнал подается на элемент, изменяющий частоту кварцевого генератора, и поддерживает ее значение таким, чтобы оно точно совпадало с вершиной спектральной линии 87.
Точность К определяется главным образом шириной радиоспектральной линии 87. Основной причиной, приводящей к уширению спектральных линий газов (паров) при низких давлениях, является Доплера эффект. Для уменьшения его влияния в колбу с парами 87 добавляется буферный газ (при давлении несколько мм рт. ст.). 87, сталкиваясь с буферного газа, оказываются как бы зажатыми между ними и совершают быстрые хаотические движения, оставаясь в среднем почти на одном месте, лишь медленно диффундируя внутри колбы. В результате спектральная линия приобретает вид узкого пика на широком низком пьедестале. Ширина и положение этого пика зависят от состава буферного газа. Например, смесь из 50% и 50% позволяет свести ширину спектрального пика Примерно до 100 гц, причем его положение смещается лишь на 0,02 гц при изменении температуры на 1°С или давления на 1 мм рт. см.
Точность К обусловлена также постоянством интенсивности света лампы накачки, поэтому применяются системы автоматического регулирования интенсивности. Возможно создание К, в которых вместо описанной системы оптической индикации используется квантовый генератор с парами В этих К применяются настолько интенсивная оптическая накачка и резонатор со столь высокой добротностью, что в нем выполняются условия самовозбуждения. При этом пары 87, наполняющие колбу внутри резонатора, излучают электромагнитные волны на частоте 6835 Мгц. Радиосхема таких К также содержит кварцевый генератор и синтезатор, но в отличие от предыдущего частота кварцевого генератора управляется системой фазовой автоподстройки, в которой опорной является частота сигнала генератора.
Лит.: Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия, М., 1969, с. 35, 241; Григорьянц В. В., Жаботинский М. Е., Золин В. Ф., Квантовые стандарты частоты, М., 1968, с. 171.
М. Е. Жаботинский.
|
Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска
|
|
 |
 |
 |
|
