4.3. Квантовые меры частоты

Высокая точность частотных измерений возможна только при наличии высокостабильных эталонов. Такими эталонами времени служат квантовые меры частоты. В квантовых мерах частоты используются квантовые переходы между энергетическими уровнями атомов вещества, связанные с частотой известным уравнением Бора:

где W₁ и W₂ -- энергетические уровни атома;

h -- постоянная Планка.

Изменение энергетических уровней вызывают воздействием внешнего электромагнитного поля, частота которого совпадает с частотой гиромагнитной прецессии электрона.

В настоящее время используют атомы цезия, рубидия и водорода, поэтому квантовые меры частоты соответственно называют цезиевыми, рубидиевыми и водородными.

Резонансная частота цезия- 133 равна 9192631770 Гц, рубидия- 87 – 6834682608 Гц и атомарного водорода – 1420405751,6 Гц. Эти частоты определяются атомными постоянными вещества и потому характеризуются высокими стабильностью, воспроизводимостью и точностью.

Принцип работы цезиевой и рубидиевой мер частоты заключается в резонансном поглощении электромагнитных волн сверхвысоких частот в луче атомов цезия и рубидия соответственно; принцип работы водородной меры - в возбуждении лучом (пучком) атомов водорода незатухающих колебаний в объемном резонаторе, собственная частота которого равна частоте перехода между энергетическими уровнями атомов. Таким образом, цезиевая и рубидиевая меры частоты являются пассивными, а водородная -- активной.

Активной квантовой мерой частоты называется такая мера частоты, в которой в качестве опорной используется частота излучения электромагнитных волн одного из энергетических переходов атомов или молекул.

Пассивной квантовой мерой частоты называется такая мера частоты, в которой в качестве опорной используется частота поглощения электромагнитных волн одного из энергетических переходов атомов или молекул.

Рассмотрим принцип действия цезиевой пассивной меры частоты, выполненной на вакуумной атомно-лучевой трубке (рис. 4.4). Источником цезиевого атомного луча является печь из нержавеющей стали; выходное отверстие печи снабжено коллиматором для формирования луча. При рабочей температуре 125°С расход цезия CS¹³³составляет около 10^-7г/ч. Атомам присущ дипольный магнитный момент, поэтому, пролетая через неоднородное поле первого магнита, они подвергаются действию поперечной силы, направление которой определяется энергетическим уровнем данного атома. Под воздействием этой силы атомы с малой энергией отклоняются и поступают в резонаторы 3 и 4, где взаимодействуют с внешним синфазным магнитным полем, частота колебаний которого равна 9192 МГц. Поле создается энергией, получаемой от кварцевого генератора. Частота колебаний последнего обычно равна 1 или 5 МГц, поэтому она предварительно преобразуется (умножается и синтезируется) до значения частоты квантовых переходов. При совпадении этих частот часть атомов, находящихся в резонаторе, переходит на другой энергетический уровень; переходу сопутствует изменение магнитного момента на обратный. Пролетая далее через неоднородное поле второго магнита, атомы вновь разделяются и, перешедшие на другой уровень, попадают на детектор с поверхностной ионизацией 6. В фотоэлектронном умножителе формируется сигнал для автоподстройки частоты кварцевого опорного генератора.

Рис. 4.4. Структурная схема пассивной меры частоты на цезиевой трубке

1 -- источник атомного луча; 2 -- вакуум; 3,4 -- объемные резонаторы;

5 --фазирующий луч; 6 -- детектор; 7 -- фотоумножитель; 8 -- экран;

9 – волновод.

Особо точные измерения выполняют, применяя квантовую меру частоты. Для этого напряжение кварцевого генератора меры сравнивают с напряжением измеряемой частоты, т.е. после соответствующих преобразований сравнивают с частотой квантового перехода данной меры, разностную частоту измеряют при помощи электронно-счетного частотомера и по его показаниям вычисляют искомую (разностный метод).