книги из ГПНТБ / Слабкий Л.И. Методы и приборы предельных измерений в экспериментальной физике

бильность газовых лазеров составляет1 Асо/ш ~ 10~10—ІО-11. Поэтому величина Admln, определяемая этими флуктуациями, бу­ дет равна

• Admln = 4 - ( '^ L) - 2>5 -(10~15- 10_1(i) см-

В заключение упомянем еще об одном типе датчиков— так на­ зываемом «фононном» датчике, принцип работы которого состоит в том, что изменение размеров кристалла сопровождается воз­ буждением его кристаллической решетки — появлением квантов гиперзвука (фононов).

Известно, что одному поглощенному в кристалле кванту гипер­

вые эффекты для усиления фононного «потока», аналогичные тем, которые применяются в лазерных усилителях с накачкой от внеш­ него источника энергии, можно в принципе регистрировать появле­ ние в возбужденном кристалле единичных фононов. Таким образом, изменение длины кристалла будет сопровождаться возникновением фононов, по регистрации которых можно судить о величине этого изменения. Натрудно видеть, однако, что такой тип датчиков об­ ладает весьма большой жесткостью \ и для его «деформации» на малую длину Ах требуются значительные силы, что не всегда бы­ вает полезно в таких опытах, целью которых является именно из­ мерение малых сил по вызываемым им малым смещениям элемен­ тов измерительного датчика.

1 В последнее время появились надежды на возможность создания лазеров на основе твердого тела, имеющих относительную стабильность лучшую, чем 10-14, путем замены одного из зеркал матовой рассеивающей поверхностью (в гл. 5 [19, 20]). Более строгое выражение для Ad имеет вид [13]

Admln = Z ( l - P ) \ Y - щ - А /.

где Х>— множитель порядка единиц, зависящий от уровня достоверности; N0 — мощность светового потока в резонаторе, Аf — полоса частот, в которой ведутся измерения. При £ = 2 , Р = 0,995, /Ѵ0= 10е эрг/сек, Х—5 - 10~6 см величина Admja= = 7 - 1 0 - 10-Т /Д / см.

т

Г л а в а 3

ЭТАЛОНЫ ЧАСТОТЫ

И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ПРЕДЕЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЯХ

Высокостабнльные генераторы частоты (эталоны времени) на­

щие генераторы и т. д.), радиофизика, различные эксперименты по проверке некоторых следствий из специальной и общей теории от­ носительности, измерительные системы типа емкостных датчиков и квантовых магнитометров, разного рода фазовые измерения и др.

В качестве таких высокостабильных генераторов (реперов) ча­ стоты наиболее широкое применение находят следующие основ­ ные типы квантовых реперов — молекулярные генераторы на пуч­ ке молекул аммиака, цезиевые (рубидиевые) эталоны частоты на

Рассмотрим прежде всего генераторы, частота которых стаби­ лизирована по атомным переходам в атомах цезия или рубидия.

В качестве наиболее подходящих изотопов этих элементов ис­ пользуются приведенные в табл. 1.

Благодаря взаимодействию орбитального момента внешнего электрона І к и спинового момента ядра / к (полный момент F коли­ чества движения атома равен сумме F = / к + 7) происходит рас­ щепление всех уровней атома на ряд компонент (сверхтонкое рас­

ла внешнего магнитного поля компоненты сверхтонкого расщепления разделяются на ряд подуровней (эффект Зеемана), причем для сла­ бых полей порядка эрстед или долей эрстеда каждый уровень сверхтонкой структуры расщепляется на 2F + 1 магнитных под­ уровней с различными значениями магнитного квантового числа тр (рис. 68).

172

mF

Рис. 68. Схема расщепления энергетических уровней атома цезия во ^внешнем магнитном поле

Генератор

низкой

частоты

. J

Рис. 69. Блок-схема высокостабильного генератора колебаний с подстройкой частоты по атомным переходам в цезии

Между этими подуровнями для двух соседних уровней возмож­ ны переходы, подчиняющиеся определенным правилам отбора. В ка­ честве наиболее подходящих переходов в цезиевых и рубидиевых стандартах частоты используется переход F — 4, mF — 0 F = 3, тр = о, для которого влияние, внешнего магнитного поля нич­ тожно мало (подуровни т = 0 практически не смещены относитель­ но уровней сверхтонкой структуры для F = 3 н F = 4 основного состояния). Так, частота перехода зависит только от квадрата поля Я и, например, для Cs133 она равна

относительно верхнего (F = 4, т — 0), обычно используется эффект оптической накачки, о котором уже шла речь выше (см. гл. 1, § 3). Напомним, как это происходит. Пусть атом цезия находится в ос­ новном состоянии F0 = 3, tnF — —2, и пусть на него падает излуче­ ние с "к = 8943,46 А, которое переведет его в возбужденное состоя­ ние.

В соответствии с правилами отбора (АF = ± 1 , Аm.F — + 0, ±1) атом перейдет в состояние F = 4, mF — —1, и далее, спонтан­ но, за время ~ 1 0 - 8 с,—■снова в основное состояние на F —2>с mF = = 0, —1 или —2. При повторных оптических переходах такого

/ = 9192,631 Мгц, то в ней возникнут переходы между различ­

щего через пары цезия, которые находятся в радиочастотном по­

ному поглощению светового потока в колбе с парами цезия. Исполь­

174

доведена до —1-10—10 (за месяц), что определяется, главным об­ разом, влиянием буферного газа при столкновениях с атомами цезия на частоту и фазу их колебаний.

§ 1. Квантовый генератор эталонной частоты на атомарном водороде

В последнее время появились другие типы эталонов— так на­ зываемые водородные эталоны — квантовые генераторы на атомар­ ном водороде. Эти генераторы имеют ряд преимуществ перед дру­ гими эталонами частоты, поскольку в них имеются все те поло­ жительные качества, которыми обладают все перечисленные выше типы генераторов, причем такой важный параметр, как характе­ ристика рабочей спектральной линии, от которой зависит стабиль­ ность частоты, у водородного генератора является очень простой по структуре и имеет добротность, значительно большую, чем добротность линий для систем с оптической накачкой.

В этом параграфе мы подробно рассмотрим принцип действия и схему такого генератора, его конструктивные особенности, а также приведем формулы, позволяющие провести оценку его основного параметра — стабильности.

Схема генератора приведена на рис. 70 [17]. Пучок атомов водорода из источника, проходя в поле магнитной системы, сор­ тируется таким образом, что в кварцевую колбу попадают только

Рис. 70. Принципиальная схема квантового генератора высокостабильной ча­ стоты на пучке атомов водорода

мов водорода. Этот переход использован потому, что разность энер­ гий АЕ для этих уровней (а следовательно, и генерируемая часто­ та /) практически очень слабо зависит от величины внешнего маг­ нитного поля.

Благодаря относительно большому времени нахождения воз­ бужденных атомов водорода внутри колбы (порядка нескольких

175

секунд) возбуждение (генерация) колебаний в объемном резонато­ ре имеет место при не очень большой интенсивности пучка атомар­ ного водорода, влетающего в колбу, что способствует более про­ стой реализации такого устройства. Кроме того, принятие специаль­ ных мер (покрытие внутренних стенок колбы слоем парафина или тефлона) обеспечивает упругий удар атомов о стенки колбы, что практически исключает эффекты уширения спектральной линии высвечивания атомов, взаимодействующих с высокочастотным по­ лемрезонатора с сохранением когерентности. Ширина спектраль­ ной-линии, определяющей добротность системы, близка к естествен­ ной, поскольку основное время высвечивающиеся атомы нахо­ дятся в свободном пространстве колбы (влияние соударений со стенками мало вследствие слабой поляризуемости покрытия и са­ мих атомов водорода). Что касается Допплер-эффекта, то основную роль может играть лишь эффект второго порядка (который мал), поскольку эффект первого порядка усредняется до ничтожно ма­ лых значений благодаря большому количеству столкновений ато­ мов со стенками, в результате которых средняя скорость атомов в колбе очень мала.

Минимальная интенсивность пучка атомов водорода, при кото­ рой начнется самовозбуждение генератора, определяется форму­

где / — частота генерации, определяемая следующей формулой (для

Нетрудно видеть, что нестабильность частоты / за счет нестабильно­ сти-величины напряженности магнитного поля Я невелика. Так,

^Результирующая нестабильность ДД, обусловленная такими фак­ торами-, как затягивание резонатора (Д /Рез), влияние столкнове­

176

где каждая из этих величин определяется следующими формулами:

~ 1 0 -11 / 0 и ~10~16 / 0. Величина у, входящая в (4.28), зависит от различных факторов и определяется выражением

(4-36)

(О Рассмотрим основные процессы, ответственные за релаксацию.

Атомы водорода, после большого числа столкновений со стен­ ками колбы, покидают ее через входное отверстие площадью авх, что приводит к изменению мгновенного баланса числа атомов в кол­

бе. Коэффициент уо. соответствующий этому процессу, равен

а неоднородность магнитного поля, обусловливающая некоторую потерю когерентности взаимодействия атомов с полем резонатора, определяет величину у'н, равную

177

где а — коэффициент связи между / 0 и Н2, равный 0,435 гц-м2ІА2, 10 — интервал времени между двумя последовательными стол­ кновениями.

Наличие неоднородности магнитного поля приводит еще и к тому, что возникают индуцированные переходы между соседними

178

вблизи полюсов. При применении коллиматора из 400 стеклянных трубок длиной 1 мм каждая, общий диаметр отверстия которых ра­ вен 1 мм, данная система обеспечивает сравнительно хорошее фо­ кусирование возбужденных атомов в колбу. Так, при начальном потоке, равном 1018 атомов!с, в колбу попадает —2- ІО12 атомовіс.

Для создания вакуума в системе обычно используют геттерноионные насосы с производительностью ~ 10 —200 л водорода в се­ кунду, обеспечивающие начальное давление в системе не хуже, чем —10“ G Н!мг для удаления всех посторонних газов. Давление же самого водорода в системе может изменяться вплоть до ІО-3 НІм2, не оказывая заметного влияния на стабильность частоты генера­ тора.

В качестве резонатора генератора лучше всего использовать посеребрённую кварцевую колбу, либо специальную термостати­ рованную полость из хорошо проводящего металла. Настройка ре­ зонатора может быть осуществлена либо с помощью простого плун­ жера, либо введением петли связи, нагруженной на линию с кри­ сталлическим диодом на конце. Тогда, изменяя ток смещения диода, можно регулировать реактивное сопротивление резонато­ ра, который обычно настраивается на Т £ 011-тип колебаний.

При величине добротности резонатора Qpe3 = 6-104 диаметр кварцевой накопительной колбы равен — 12—15 см для нормаль­ ной работы генератора. Такая колба при парафиновом покрытии ее внутренних стенок обеспечивает время жизни в ней атомов во­ дорода —0,3 с, а при тефлоновом покрытии —2—3 с.

Для магнитного экранирования системы применяются трехслой­ ные экраны 4, дающие полный коэффициент ослабления поля ~500 и имеющие вид трех коаксиальных цилиндров, диаметры ко­ торых равны 35, 40 и 45 см, а длины равны 75, 80 и 90 см. Толщина всех цилиндрических экранов равна 1 мм, причем внут­ ренний экран изготовлен из молипермаллоя, остальные — из мяг­ кой стали.

Пропусканием тока с частотой 60 гц, 150 А через эти цилиндры

чем Ы 0 -12.

В табл. 2 даны характеристики основных типов лучших образ­ цов современных высокостабильных эталонов частоты.

Остановимся теперь коротко на вопросах возможности повы­ шения стабильности эталонов частоты. Можно сказать, что приме­ нение сверхпроводников для изготовления таких элементов генера­ тора, как объемный резонатор и экран, позволило бы весьма суще­ ственно повысить их стабильность не только вследствие уменьше­ ния тепловых шумов — Т), но и в силу появления идеальных

179

Т а б л и ц а 2

диамагнитных свойств у сверхпроводников, и увеличения доброт­ ности сверхпроводящих резонаторов до ~ 1 0 7—ІО8 и выше [18] 2. Используя эффект квантования магнитного потока, можно, как ука­ зывалось выше, создать объем, полностью свободный от магнитно­

Новые возможности открываются перед квантовыми твердотель­ ными генераторами при замене одного из зеркал оптического резо­ натора матовой рассеивающей поверхностью [19—22], что зна­ чительно увеличивает стабильность их частоты и в принципе поз­ воляет надеяться на создание эталонов частоты с относительной по­ грешностью ІО-1 5—ІО-16, т. е. почти такой, какая имеет место при эффекте Мессбауэра.

2 В сантиметровом диапазоне величина Q может доходить до 109.

180