4. Квантовые генераторы

Наряду с атомнолучевыми пассивными реперами частоты су­ществуют активные реперы. Это приборы, в к-рых кванто вые переходы молекул и атомов непосредственно приводят к гене­рации электромагнитных волн, частота к-рых служит репером. Та­кие приборы наз. квантовыми генераторами.

Первый квантовый генератор на пучке молекул аммиака, наз. молекулярным генератором, ознаменовал рождс-

ние квантовой электроники. Он был одновременно и независимо

разработан в 1954 в Физич. институте Академии наук в Москве Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым и в Колумбийском университете в Нью-Йорке 4. Таунсом, Дж. Гордоном и X. Цейгером. В этом приборе молекулы аммиака генерируют электромагнитные коле­бания СВЧ, обладающие чрезвычайно высокой монохроматичностью и большой стабильностью частоты.

Генерация электромагнитных колебаний в квантовом генераторе осуществляется за счет вынужденного излучения электромагнитных волн (см. Квантовый переход).

Эйнштейн предсказал существование вынужденного испускания фотонов без привлечения квантовой теории. Очень важное свойство вынужденного излучения состоит в том, что оно ничем не отличается от вынуждающего излучения. Совпадают все характери­стики — частота, направление распространения, поляризация и фаза. Благодаря этому вынужденное испускание приводит к усиле­нию внешней электромагнитной волны.

В обычных условиях число частиц на нижнем из любой пары уровней больше, чем на верхнем. Такое распределение есть след­ствие хаотич. процессов, приводящих систему, состоящую из мно­гих взаимодействующих частиц, в состояние теплового равновесия (см. Больцмана распределение).

Именно из-за того, что на нижних уровнях при тепловом рав­новесии находится больше частиц, чем на верхних, в естественных условиях обычно наблюдается лишь поглощение, а не усиление электромагнитных волн. Лишь недавно в нек-рых удаленных обла­стях космич. пространства в скоплениях (облаках) радикала ОН было обнаружено преобладание вынужденного испускания над пог­лощением света. Это означает, что молекулы ОН в этих облаках не находятся в состоянии теплового равновесия и что там преобладают молекулы, находящиеся в состоянии с большей энергией. Такое резко неравновесное распределение населенности энергетич. состоя­ний наз. инверсией населенностей. В этом случае электромагнитная волна, проходящая через вещество, усиливается. Идея использования вынужденного испускания для генерации электромагнитных волн одновременно возникла у Басова и Прохо­рова в Москве и у Таунса с сотрудниками в Нью-Йорке. Все они были радиофизиками и знали, что усилитель электрич. колебаний при известных условиях можно превратить в генератор. Для этого

необходимо связать выход усилителя с его входом. Такая обратная

связь приводит к тому, что какая-то часть волны (в зависимости от величины обратной связи) вновь и вновь проходит через усилитель, приобретая в нем дополнительную энергию.

Если неизбежные потери энергии внутри самого усилителя и в системе обратной связи меньше, чем прирост энергии при про­хождении усилителя, то усилитель с обратной связью превратится в генератор. Это значит, что любой сигнал, случайно попавший

на вход такого усилителя или возникший внутри него, подвергнется

лавинообразному усилению. Процесс усиления мог бы продолжаться бесконечно, если бы не существовало тех или иных ограничений.

В квантовых усилителях и генераторах ограничение связано с тем, что вероятность поглощения и вынужденного испускания для ка­ждой частицы одинаковы. В результате этого в процессе усиления инверсия населенностей постепенно уменьшается и, когда усиление сравняется с потерями, установится стационарный режим генера­ции. Рассмотрим более подробно механизм работы квантового гене­ратора на примере молекулярного генератора.

3 Квантовая электроника

Молекулярный генератор. В первом квантовом генераторе ра­бочим веществом служил пучок молекул аммиака. Этот выбор не был случайным. В спектре аммиака радиоспектрич. исследованиями были обнаружены пары энергетич. уровней, разность энергии ме­жду к-рыми соответствует (или близка) частоте перехода v =

= 23 870 Мгц, т. е. нахо-

\>=23870гц

дится в области СВЧ, ин­тересовавшей физиков. Эти уровни характерны для мо­лекул аммиака и наз. и н-

^{6 N ('положение при инверсий)}

верс ионными. Они связаны с явлением и н-версии — переходом мо­лекулы между двумя со­стояниями , возникающими вследдтвие того,- что атом азота может занимать в молекуле аммиака два эквивалентных положения (рис. 10) (см. Инверсионный переход).

Молекулы аммиака, выходя из источника через малое отверстие (капилляр), образуют молекулярный пучок (рис. 11). В пучке летят молекулы, находящиеся на различных уровнях в соответствии с распределением Больцмана (см. Молекулярные и атомные пучки).

Молекулярный проходит далее сквозь сортирующую

систему, назначение к-рой — удалить из пучка молекулы, находящиеся в нижнем энергетич. состоянии ё°_г,ш пары инверсион­ных состояний, избран­ных для работы прибо­ра. Проследим, как это осуществляется.

Молекулы аммиака

Во внешнем электрич. соответствующие верхнему уровню,

против направления поля, при этом энергия уровня увеличится пропорционально напряженности поля. Электрические

дипольные моменты молекул, находящихся в нижнем инверсионном состоянии, выстроятся «по» полю и их энергия уменьшится также пропорционально напряженности поля (см. Штарка эффект). Если пучок молекул аммиака пропустить через неоднородное электрическое поле, то оно сортирует молекулы аммиака анало­гично тому, как неоднородное магнитное поле в

обладают электрическим дипольным моментом, т. е. у них «центр тя­жести» отрицательного заряда электронов не совпадает с «центром тя­жести» положительных зарядов ядер. Инверси­онные уровни соответ­ствуют двум противопо­ложным ориентациям дипольного момента молекулы аммиака. поле Е дипольные моменты,

сортирует атомы

магнитным

Cs, обладающие

мо-

трубках ментом.

Неоднородное электрич. поле необходимой конфигурации соз­дается при помощи спец. электродов. Наибольшее распространение получили сортирующие системы в виде квадрупольного конденсатора (рис. 12, а, б) или системы металлич. колец, к к-рым через одно приложено высокое напряжение противоположной поляр­ности (рис. 12, в). В обеих этих системах электрич. поле на оси си­стемы равно нулю и увеличивается по радиусу.

Пучон

Рис. 12. Сортирующие системы: а, б — квадрудольиый конденсатор;

в

Для молекул на верхнем уровне уменьшение энергии связано с движением к оси сортирующей системы. Для остальных молекул выгоднее лететь к пластинам конденсатора (или к кольцам). В ре­зультате молекулы, находящиеся в верхнем энергетич. состоянии, собираются у оси системы, а молекулы, находящиеся на нижнем уровне, рассеиваются в стороны и не участвуют в работе генератора.

Для того чтобы они не создавали избыточного давления внутри

генератора, эти молекулы, как и те, которые, уже излучив, пере­шли в нижнее состояние, удаляются (откачиваются вакуумным

насосом).

В результате вынужденного испускания молекул электромагнит­ная волна, частота к-рой соответствует ф-ле (1), взаимодействующая

с отсортированным пучком, должна усиливаться. Однако из-за малого количества частиц, находившихся в возбужденном состоя­нии, и из-за малого времени взаимодействия пучка и волны это усиление крайне мало. Для получения достаточного усиления не­обходимо увеличить время взаимодействия волны с пучком. С этой целью молекулярный пучок пропускается сквозь объемный резона­тор— полость, ограниченную металлическими стенками. Электро

магнитная волна, попав в такую полость, многократно отражается

от ее стенок и поэтому долго взаимодействует с проходящим через нее пучком.

Вспомним теперь, что молекулы, пролетающие в виде пуч­ка сквозь объемный резонатор, через короткое время вылетают через него и заменяются вновь влетающими. Часть из них во время пролета успевает совершить акт вынужденного испускания и этим усиливает электромагнитное поле внутри резонатора. Следующие порции молекул взаимодействуют с уже усиленным полем. Так осуществляется обратная связь — связь первых молекул пучка с последующими — через поле излучения. Обратная связь объеди­няет между собой акты испускания многочисленных молекул, про­летающих сквозь резонатор.

Итак, объемный резонатор, с одной стороны, увеличивает время взаимодействия молекул с электромагнитным излучением, вслед­ствие чего возрастает усиление. С другой стороны, он осуществляет обратную связь между молекулами пучка. В результате такое уст­ройство может генерировать электромагнитные волны.

Однако введение резонатора приводит и к др. эффекту: частота генерации уже неполностью определяется спектральной линией аммиака. Она теперь зависит и от настройки резонатора. Так воз­никает главная погрешность частоты молекулярного генератора. К счастью, она относительно невелика и пропорциональна отклоне­нию собственной частоты резонатора от вершины спектральной ли­нии v₀. Это отклонение наз. расстройкой. Относительная погрешность частоты Av/v, вызываемая расстройкой, для генерато­ров на молекулах аммиака — К) ¹¹.

Неприятной особенностью молекулярного генератора является сложное строение спектральных линий аммиака. Каждая из них состоит из и ее к. линий, расположенных столь близко, что радио­спектроскопы воспринимают их как слившиеся воедино. При этом положение вершины результирующей линии, а значит и частота генерации зависит от условий сортировки пучка молекул, в част­ности от электрич. напряжения, приложенного к сортирующей системе. Малейшие изменения этого напряжения (а они неизбежны) смещают вершину линии. Устранить эти смещения или, по крайней

мере, стабилизировать их и учесть действие всех факторов, влияю­щих на положение вершины спектральной линии, очень трудно. От­носительные погрешности частоты генерации, обусловленные из­менением сортирующего напряжения, непостоянством вакуума и др. внешними факторами, составляют величину Av/v -^10 ^u.

Водородный генератор. Существенно меньшие погрешности можно получить при помощи квантового генератора, работающего на пучке атомов водорода. Это достигается прежде всего за счет простоты спектральных линий атомов водорода.

Водородный генератор имеет много общего с молекулярным генератором. Но имеются и существенные отличия. Свободный во­дород всюду (за исключением космич. пространства) существует в виде молекул Н₂. Поэтому в источнике должно быть устройство

для получения атомарного водорода, а не просто промежуточный

объем или испаритель, как в случае молекул аммиака и атомов Gs. Чаще всего атомарный водород получают при помощи электрич. разряда, приводящего к диссоциации молекул водорода. Атомы водорода вылетают из источника в сортирующую систему (рис. 13).

Второе существенное отличие обусловлено тем, что атомы водо­рода не поддаются сортировке в электрич. полях, т. к. они не имеют дипольного электрич. момента. Они, подобно атомам Gs, обладают магнитным моментом. Поэтому в водородном генераторе исполь­зуются переходы между магнитными подуровнями атома водорода, а для сортировки атомов применяется неоднородное магнитное поле. Его создает магнитная система 2 в виде шести- или восьмиполюсных магнитов (рис. 13). Отсортированные возбужденные атомы водорода попадают в объемный резонатор 3, где они взаимодействуют с элект­ромагнитными волнами, усиливая их за счет вынужденного излу-

Однако энергия, излучаемая даже самым интенсивным пучком атомов водорода, к-рый практически можно получить, очень мала.

Щ. Изменения энергии при переходах, связанных с переориентацией ft магнитного момента атома водорода в магнитном поле, во много

раз меньше, чем изменения энергии при переходе, обусловленном |4 переориентацией электрич. момента в молекуле аммиака. Поэтому # за то малое время, в течение к-рого атомы пролегают сквозь резона-щ. тор, пучок атомов водорода не способен возбудить генерацию, даже

если потери в резонаторе очень малы.

| Излучаемые

Я вакуумному насосу

Рис. 13. Устройство водородного генератора: 1 — источник пучка; 2 сортирующая¹ магнитная система; 3 — резонатор; 4 — накопительная колба.

Для генерации нужно увеличить число излучательных перехо- дов, чего можно достичь, увеличив атомов в резо- наторе. Для увеличения этого времени применяется накопительная колба 4. Она представляет собой кварцевую колбу с узким отвер- стием, расположенную внутри резонатора. Атомный пучок сквозь проникает в колбу. Попав в колбу, атомы длительное время не могут из нее выйти, наталкиваясь всюду на ее стенки, и только через значительное время попадут в отверстие и вырвутся из колбы. Чем меньше отверстие, тем больше время пребывания атомов в колбе. Чтобы внутренняя энергия атомов не изменялась при ударах о стенки, последние покрыты защитной пленкой. При

столкновении с ней атом водорода, подобно упругому шарику,

отлетает, не изменяя энергии. Если пленка сделана из фторонла-с т а или тефлона (особая пластмасса), то атом водорода может испытать с ней св. 10 тысяч столкновений, оставаясь в верхнем энергетич. состоянии. В результате каждый атом может взаимодей­ствовать с полем резонатора в течение неск. сек, за к-рые с большей вероятностью произойдет вынужденное испускание. Размеры вход­ного отверстия колбы выбираются такими, чтобы среднее время пребывания атома в колбе совпадало со средним временем, в тече­ние к-рого атом совершит акт вынужденного испускания.

Большое время взаимодействия атомов водорода с электромаг­нитным полем, возникающим в резонаторе, делает погрешность

II! S

частоты спектральной линии, определяемую соотношением неопре­деленностей, весьма малой (рис. 14). Она составляет всего 0,5 — 0,3 гц (в молекулярном генераторе на аммиаке аналогичная погреш­ность, определяемая временем пролета молекул сквозь резонатор, равна 3000 гц).

Однако хаотич. движение атомов водорода в накопительной колбе может привести к большому уширению спектральной ли- нии из-за эффекта Доплера л (изменение частоты излучений источ- ника вследствие его движения, см. Доплера эффект). Известно, что в газе, вследствие хаотич. движения атомов во всех направлениях и с различными скоростями, эффект Доплера приво- дит к сильному уширению спектраль- Рис. 14. Форма спектральной ных линий. Наблюдаемые линии яв- лшши, _н^{абл юдаемой в водо-} ляются, по существу, результатом на- ^{родном генераторе.} ложения множества слившихся линий.

При этом ширина линии становится значительно больше ее естественной ширины, определяемой со­отношением неопределенностей (рис. 15).

М ожет показаться, что устранить влияние эффекта Доплера можно, только прекратив движение атомов, а это, как известно, невозможно. Но, оказывается, можно подавить действие эффекта Доплера, не прекращая, а лишь ограничивая движение атомов в пространстве. Это достигает­ся соответствующим выбором

_?

размеров накопительной кол­бы. Если расстояние между ее стенками меньше длины элек­тромагнитной волны, то эф­фект Доплера не может раз­виться в полной мере.

v₀-Av v₀ v₀+Av

а 15.

Столкновения атомов со стенками, изменяющие направ­ление доплеровского сдвига частоты, одновременно ограни­чивают время непрерывного измерения частоты сигнала. Это означает, что спектральная линия излучения одиночного атома должна быть очень шн-

Рис.

а

„ смещение спектральных

блюдается наложение излуче- линий из-за эффекта Доплера, 6v -

рокой.

ес-

тественнЙ пВДЙа лв^б - ушире-ние спектральной линии из-за эффекта

В действительности же на-

нии огромного числа атомов. Аналогично тому, как в атомно-

лучевых стандартах наложе­ние двух сигналов приводит к форме линии, изображенной на рис. 9, в водородном генераторе наложение массы хаотических широкополосных сигналов также приводит к возникновению узкого пика на широком пьедестале. Т. о., эффект Доплера здесь проявляется не в обычном уши рении спектральной линии, а в таком искажении ее формы, при к-ром вершина остается узкой,

т

а слабые крылья несколько возрастают, образуя под узкой

вершиной широкий пьедестал (рис. 14).

Хотя хаотич. движения атомов водорода внутри колбы не вызы­вают уширения спектральной линии, но возникает др. источник погрешности — смещение вершины линии, возникающее из-за того, что соударение атомов водорода с защитным покрытием вызывает небольшие изменения внутренней энергии атомов. Пол­ного устранения этого дефекта ни для каких защитных пленок дос­тичь не удалось. Существенное сужение спектральной линии водо­рода в водородном генераторе значительно уменьшает погрешность из-за возможной неточности настройки резонатора на вершину спек­тральной линии. Эта погрешность не может превзойти половины

ширины спектральной линии, а при тщательной настройке состав­ляет лишь несколько процентов, т. е. сотые доли герца.

Несмотря на то, что само значение частоты, генерируемое водо- родным генератором, соответствующее длине волны а, = 21 см, примерно в 16 раз меньше, чем у аммиачного молекулярного гене- ратора (к = 1,26 см), выигрыш в относительной погрешности Av/v, вследствие уменьшения ширины Av спектральной линии но срав- нению с шириной линии молекулярного генератора, должен был бы быть достаточно большим. Однако ожидаемый выигрыш реализуется далеко не полностью. Это обусловлено в основном двумя причинами. •Во-первых, тем, что мощность водородного генератора в тысячи раз меньше, чем у аммиачного. Поэтому мешающее действие тепловых шумов, нарушающих регулярность колебаний генератора, оказы- вается примерно в 100 раз большим, а следовательно, и погрешность в определении положения вершины спектральной линии увеличи- вается в 10 раз. Во-вторых, защитная пленка не сохраняет свои свойства полностью неизменными, она стареет. А т. к. свойства защитной пленки влияют (хотя и слабо) на частоту генератора, то это старение приводит к медленному изменению (уходу) генерируемой частоты. Кроме того, на частоту водород- ного генератора влияют изменения внешних магнитных полей и темп-ры, защита от к-рых требует применения спец. магнитных эк- ранов и термостатов.

Несмотря на перечисленные осложнения, водородный генератор занимает в 1969 г. второе место по точности среди К. с. ч. Фиксируе­мая им частота, измеренная относительно частоты цезиевого этало­на, равна:

v₀ = 1,420 405751, 7860 ± 0,0046 гц,

т. е. относительная погрешность этой величины составляет Av/v = = 3 • 10~¹².

Оба описанных типа генераторов разрабатывались

с целью создания источников сверхстабильных электромагнитных колебаний в диапазоне СВЧ. Однако наряду с этим важным технич. назначением они являются высокочувствительными радиоспектро­скопами, отличаясь от обычных радиоспектроскопов тем, что в них наблюдаются спектры и с п у с к а и и я, а не с п е к т р ы поглощен и я. Следует напомнить, что в оптике также иссле­дуют оба типа спектров.

Квантовые генераторы успешно применяются в качестве радио-спектросконов, обладающих чрезвычайно высокой разрешающей способностью. Такой радиоспектроскоп позволяет исследовать не

только спектры водорода, аммиака и др. веществ, но и влияние на эти спектры внешних электрич. и магнитных полей, а также вол-действие на них др. атомов и молекул. Уже существуют молекуляр­ные генераторы на молекулах дейтерированного аммиака, воды, синильной кислоты, формальдегида и нек-рых др. молекулах. Они служат для исследования свойств этих молекул.

Все описанные выше устройства отличаются громоздкостью н сложностью. Они предназначены для работы в стационарных усло­виях. Во многих случаях необходимо иметь стандарты частоты, пригодные для работы в подвижных установках — на кораблях, самолетах, в космосе. Поэтому наряду с усовершенствованием атом­нолучевых стандартов, молекулярных и водородных квантовых гене­раторов физики создали еще один тин К. с. ч. с оптическо й накачкой, работающий без атомного пучка и поэтому удобный там, где требуются малый вес и размеры, а также нечувствитель­ность к вибрациям.