ПИПУНЫРОВ ИСТОРИЯ ЧАСОВ

контроля частоты кварцевого генератора, образующие вместе эталон времени и частоты. С 1958 г. он был принят в качестве эталона в службе времени во всех обсерваториях мира.

Создание современных молекулярных часов на пучке молекул аммиака основывается на результатах исследований, проведен­ ных Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым в Физическом институ­ те АН СССР и в Колумбийском университете (США) Ч. Таунсом, Дж. Гордоном и X. Цайгером в 1954—1955 гг. Им впервые удалось получить спектральную линию индуцированного излуче­ ния и на этой основе создать генератор на пучке молекул аммиа­ ка. За эти исследования им была присуждена Нобелевская пре­ мия. До этого открытия принято было считать невозможным или исключительно трудным получить эффект индуцированного из­ лучения, поскольку в обычных условиях процесс поглощения ра­ диоволн заслоняет процесс индуцированного излучения. Для по­ лучения такого эффекта нужно было нарушить термодинамиче­ ское равновесие и обеспечить преобладание молекул на верхнем энергетическом уровне, т. е. преобладание так называемых актив­ ных молекул. А это было связано с переходом молекул из состоя­ ний с более высокой энергией в состояние с меньшей энергией. В этом случае имеет место увеличение внешнего поля за счет излучения энергии и перехода из высшего уровня Еп на низший энергетический уровень Ет.

Для создания атомных часов, наоборот, требуется интенсив­ ное поглощение радиоволн на определенных частотах, вызванное переходом атомов из состояний с меньшей энергией. Такой про­ цесс приводит к уменьшению внешнего поля и носит название резонансного поглощения.

Современные устройства, применяемые для обеспечения ре­ зонансного поглощения и индуцированного излучения, известны под названием резонатора, осциллятора и генератора.

Р е з о н а т о р — прибор пассивный, хотя и является неотъемлемой частью атомных и молекулярных часов. Он играет роль высокостабильного частот­ ного дискриминатора, когда туда направлены пучки атомов или молекул и там возникает электромагнитное поле под действием задающего кварцевого ге­ нератора, а затем и взаимодействие этого поля с осциллятором — пучком ато­ мов.

Резонатор позволяет сравнивать измеренную резонансную частоту пучка атомов, включенных в цепь автоподстройки, с частотой задающего кварцевого генератора и сохранять связь и преемственность между отдельными сравнения­ ми. Резонатор настраивается на работу с радиоволнами таким образом, чтобы он мог служить в качестве колебательного контура в области сверхвысоких ча­ стот. При условии настройки резонатора на определенную длину волн распро­ странение в нем электромагнитной энергии будет происходить с незначитель­ ным затуханием. Обычный контур, состоящий из катушки самоиндукции и кон­ денсатора, не может быть использован в области высокочастотных колебаний в качестве колебательного контура.

О с ц и л л я т о р . В современных атомных и молекулярных часах в ка­ честве осциллятора служит атомный или молекулярный (квантовый) эталон частоты. Источник эталонной частоты у атомных цезиевых, рубидиевых, таллиевых часов имеет пассивный характер, так как ход их регулируется с помощью спектральной линии поглощения при резонансном переходе соот­ ветствующих пучков атома из одного квантового состояния в другое. Источ­ ник другого типа эталонной частоты имеет активный характер, и они извест­ ны как квантовые генераторы. Из них наиболее разработаны водородный квантовый генератор на пучке атомарного водорода и молекулярный кван­ товый генератор на пучке молекул аммиака, наделенные способностью (эф­ фектом) индуцированного испускания.

Для выявления собственной частоты атомов цезия используется эффект резонансного поглощения, возникающий под действием электромагнитного поля, создаваемого задающим кварцевым генератором. Эффект резонансного поглощения оказывается наибольшим при совпадении собственной частоты колебаний атома цезия и частоты переменного тока, задаваемого радиотех­ ническим генератором, стабилизированным кварцем. Если частота магнитных колебаний далека от собственной частоты атома цезия, пучки атомов не взаимодействуют.

Собственная частота колебаний атома цезия обладает весьма высокой стабильностью и поэтому может быть использована для автоподстройки и стабилизации кварцевого генератора, частота которого под действием дестабилизирующего фактора — старения — может существенно изменяться.

Г е н е р а т о р . Создание генератора предполагает получение тем или иным путем молекулярной системы с преобладанием в ней так называемых активных молекул или молекул, находящихся на верхнем энергетическом уровне. Тогда можно получить систему, возбуждающую колебания вследствие эффекта ин­ дуцированного испускания. Эта задача раньше всего была решена путем построения мазера на пучке молекул аммиака NH3. Использовав в молекуляр­ ной системе эти пучки, удалось устранить в ней ряд дестабилизирующих вза­ имодействий, вызываемых прежде всего эффектом Допплера.

Создание молекулярных и атомных часов является весьма сложной тех­

с устройствами для поддержания вакуума и температуры на определенном уровне, с необходимостью ограждения от возможных неуправляемых физи­ ко-химических реакций со стенками или с элементами монтажа.

Большим неудобством в молекулярных часах является необходимость поддержания вакуума в камере регулятора путем постоянного вымораживания аммиака и применения непрерывно действующих форвакуумных систем.

Цезиевые атомные часы. Название «атомные часы» первона­ чально было дано аммиачным часам 1948 г., хотя они по своей сущности были молекулярными часами. Собственно же атомные часы появились в 1955 г. Они были основаны на применении спектральной линии магнитной сверхтонкой структуры цезия и получили название цезиевых атомных часов, а в США — «Атомихрона». «Маятником» в этих часах служат атомы цезия,

Устройство атомных часов не связано с использованием атом­ ной энергии, т. е. с распадом атома. Эти атомы обладают малым количеством энергии по сравнению со световыми волнами. Отсюда возникла проблема—как получить сигналы из недр вещества от атома цезия без его распада. Выход из затруднения был найден благодаря использованию специфических свойств атома цезия.

Атом цезия состоит из ядра, окруженного множеством элек­ тронов, а во внешнем слое имеется только один электрон. Ядро атома цезия обладает естественным магнетизмом, магнитными свойствами обладает и электрон во внешнем его слое. От взаим­ ной ориентации магнитных моментов, спинов ядра и электрона и зависит энергия атома цезия.

В неоднородном магнитном поле каждый атом начинает ве­ сти себя, как маленький магнит. В зависимости от взаимной ориентации между спином ядра и электрона будет меняться и характер поведения атома цезия. Когда имеет место излучение или поглощение кванта электромагнитного поля, ориентация спина изменяется на противоположную, тогда внешнее магнитное поле будет отклонять атом тоже в противоположную сторону. Для квантовой радиотехники наибольший интерес представля­ ют такие переходы атома из одного состояния в другое, кото­ рые дают частоты, не зависящие от магнитного поля.

Используя магнитные свойства пучка атомов цезия, удалось получить эффект резонансного поглощения на основе настройки электронной цепи синхронно с собственной частотой колебания этого пучка. Так и были созданы цезиевые атомные часы.

На этом пути наибольшие трудности состояли не столько в настройке электрической цепи средствами, электроники, сколько в возможности найти эффективные средства для использования магнитных свойств атома цезия для получения эффекта резонанс­ ного поглощения. Созданию адекватной этому требованию ваку­ умной трубки с атомным пучком предшествовали продолжитель­ ные изыскания в ряде стран, которые завершились блестящими работами в Колумбийском университете. Эти исследования имели отношение к изучению поведения молекул и атомов в раз­ личных их состояниях. Л. Эссен [348, 224] отмечает интернацио­ нальный характер всех этих работ. Результаты их могут быть переданы простой по виду схемой (рис. 268). Эта схема лежит в основе устройства атомной лучевой трубки с атомным пучком, использованной в атомных часах в качестве резонатора. Она, будучи включена в цепь автоподстройки частоты, играет роль высокостабильного дискриминатора с эквивалентной доб­ ротностью колебательного контура 5-Ю6.

Атомно-лучевая медная трубка с глубоким вакуумом имеет длину 1524 мм; своими концами она установлена на двух пьеде­ сталах (рис. 269). В начале трубки (см. рис. 268) помещен источ­ ник атомов цезия, расположенный в миниатюрной электрической печи /. Здесь атомы цезия находятся в состоянии нагрева (до

200o); затем они проходят через щель 2, разделенную на множе­ ство каналов. Так обеспечивается формирование весьма узкого пучка атомов цезия.

Покидая печь, атомный пучок продолжает сохранять те же направление и скорость, какие он имел до этого, т. е. обладает обеими возможными ориентациями магнитных моментов элект­ ронов относительно ядер. Однако после прохождения поля маг­ нита 3 пучок разделяется на два: атомы, обладающие большей энергией, притягиваются северным полюсом магнита и оседают на стенки трубки, в то время как атомы с меньшей энергией, от­ талкиваются от северного полюса магнита 3 в направлении объемных резонаторов 4 и проходят между двумя резонаторами. Наличие двух разнесенных на некоторое расстояние резонаторов необходимо для обеспечения узкой спектральной линии пучков атомов цезия.

Если частота электромагнитных колебаний в резонаторах да­ лека от собственной частоты атома цезия, то атомы пучка не вза­ имодействуют. Частота линии цезия лежит вблизи 9192 МГц, так что необходимо возбуждать переменное магнитное поле этой частоты. Более того, если требуется разрешающая способность порядка 10- 1 0 , то возбуждающая частота должна быть монохроматична с точностью до 1 Гц. Для этого частота 5 МГц подстраи­ ваемого кварцевого генератора преобразуется в сложном преоб­ разователе, чтобы она была равна 9 192 631 840 Гц.

Для осуществления таких преобразований служит ряд элек­ тронных цепей. Сначала частота 5 МГц кварцевого генератора с помощью умножителя частоты доводится до значения 9180 МГц (5-2-3-3-3-2-17), однако с недостаточной мощностью. Мощность сигнала увеличивается в клистроне, который придает дополни­ тельную энергию, но с частотой 9147 МГц. Эта частота на 33 МГц отлична от первой ступени преобразования. Затем сиг­ нал смешивается с сигналом частоты 12 631 184 МГц, который получен от преобразования частоты 5 мГц следующим образом:

В результате такого синтеза получается новый сигнал с частотой 45,63184 МГц. После усиления и фильтрации эта частица снова усиливается в клистроне (9147 МГц), после чего получается окон­ чательная частота 9 192 631 840 Гц. Полученное высокочастотное напряжение, будучи модулировано по фазе напряжения с часто­ той 100 Гц, подается на трубку.

При совпадении частоты электромагнитных колебаний с соб­ ственной частотой цезия достигается эффект резонансного погло­ щения: атомы пучка поглощают кванты поля. Поле второго маг­ нита 5 выбрано так, что оно обладает способностью собирать такие пучки атомов на детектор с поверхностной ионизацией.

тока выявлять совпадение частоты повышенной гармоники за­ дающего кварцевого генератора с собственной частотой цезия. Совпадение должно быть осуществлено с точностью 1/9 000 000, для того чтобы могло иметь место резонансное поглощение и атомы цезия могли двигаться в направлении детекторов (рис. 270). Эта точность настройки была уже достигнута в пер­ вой модели цезиевых атомных часов. Погрешность их хода со­ ставляла всего 1 с за 300 лет.

Обратная связь с кварцевым генератором осуществляется через детектор, ионный умножитель и блок автоматической под­ стройки частоты. В случае ухода частоты блок вырабатывает сигнал ошибки (пропорциональный отклонению частоты гармо­ ники задающего кварцевого генератора от частоты спектраль­ ной линии атомов цезия). Выходной вал серводвигателя повора­ чивается в ту или другую сторону в зависимости от фазового сдвига сигнала на умножителе относительно модулирующего напряже­ ния. Этот сдвиг определяется величиной и знаком ухода кварце­ вого регулятора относительно частоты цезия. Вместе с поворотом вала серводвигателя поворачивается в ту или другую сторону ротор регулятора, корректирующего частоту кварцевого гене­ ратора вплоть до точного совпадения частоты на выходе преоб­ разователя с частотой собственных колебаний цезия. Корректи­ ровка частоты кварцевого генератора происходит так, чтобы сиг­ нал ошибки стал возможно минимальным. Чувствительность бло­ ка автоматической подстройки такова, что отклонение умноженной частоты кварца от заданного значения на одну мил­ лиардную, т. е. на 10 Гц, уже может быть замечено и легко

исправлено автоматически, а при особых мерах можно достичь точности в 10 раз большей.

Построенные английскими учеными Л. Эссеном и Д. Перри цезиевые атомные часы работают в службе времени с 1958 г. Они применяются для периодического контроля частоты группы квар­ цевых часов, образующих английский эталон частоты и времени. Наибольшая же стабильность частоты, которая достигнута в на­ стоящее время в цезиевых часах, имеет порядок 3-10-12.

Частоту кварцевого генератора можно делить обычным путем и получить низкочастотный сигнал для управления индикатор­ ным или исполнительным устройством.

Принципиальная схема атомных часов «Атомихрон» (рис.271), созданных в США, в принципе не отличается от схемы цезиевых часов, но они имеют иное конструктивное выполнение. Исследо­ вательская и конструкторская работа по усовершенствованию атомных часов в настоящее время сводится к дальнейшему по­ вышению точности их хода и к созданию переносных малогаба­ ритных атомных часов.

Наиболее перспективными в этом отношении являются не «Атомихрон», а новые модели атомных часов, появившихся в последнее время. По свидетельству Бернарда Каньяна, точность хода рубидиевых часов измеряется величиной 10- 1 0 . «Чтобы об­ наружить атомный переход рубидия, в этих новых часах исполь­ зована техника оптической накачки, разработанная во Франции Кастнером и Бросселем. «Атомихрон» занимает целый шкаф, а рубидиевые часы, благодаря новым техническим устройствам и успехам миниатюризации, размещаются в небольшом чемодане» [12,75].

Водородный мазер. Получить квантовый генератор (мазер) на атомном пучке долго не удавалось. Поэтому большой интерес представляет осуществление водородного мазера, в котором ис­ пользуется пучок атомов водорода. Впервые он был разработан в Гарвардском университете (США) в 1960 г. Гольденбергом, Клеппером и Рамзаем. Первый образец водородного мазера Н-1 был создан Швейцарской исследовательской лабораторией (ZSRH) в 1961 г. В результате его усовершенствования в 1965 г. был изготовлен второй мазер Н-2, а в 1966 г. — третий образец водородного мазера Н-3. Эти атомные часы считаются весьма перспективными для применения их в качестве эталона единицы времени. Потенциальные возможности мазера изучаются мно­ гими лабораториями мира.

Водородная линия, на которой работает мазер, принадлежит к тому же классу (так называемых сверхтонких линий), к кото­ рым относится и спектральная линия цезиевых часов. Однако частота водородной линии меньше, она равна 1420, 40577 МГц. По своим магнитным свойствам атомы водорода близки к атомам цезия или к атомам щелочных металлов. Они обладают эффек­ тивным магнитным моментом, проекция которого может иметь два противоположных знака в зависимости от состояния водо-

Рис. 271. Внешний вид атомных часов «Атомихрон»

рода, и поддаются сортировке в неравномерном магнитном поле. Количество атомов, находящихся в этих двух состояниях, разби­ вается в атомном пучке почти поровну, причем активных атомов или атомов с более высокой энергией несколько меньше. Задачей магнитного сепаратора является выделение этих последних. Магнитная трубка сепаратора устроена по аналогии с квадрупольным конденсатором так, чтобы активные атомы направля­ лись по оси прямо в резонатор, а остальные рассеивались.

После сортировки на верхнем сверхтонком уровне атомный пучок вводится в колбу из кварцевого стекла, помещенную в ре­ зонатор, настроенный на основную частоту спектральной линии водорода. Внутри колбы, куда попадает атомный пучок, поддер­ живается высокий вакуум. Внутренняя поверхность колбы по­ крывается инертным веществом — политетрафторэтиленом. Это высокомолекулярное вещество имеет то свойство, что при вза­ имодействии с ним атомы водорода, не меняя энергетического состояния, могут изменять траектории своего движения. Каждый атом водорода совершает множество столкновений со стенками, поэтому время пролета в резонаторе соответственно удлиняется. Таким образом, атомы движутся по случайным направлениям внутри колбы до тех пор, пока не излучат квант электромагнит­ ной энергии и не вылетят из колбы и из резонатора. В нормаль­ ных условиях при переходе атомов на более низкий энергетиче­ ский уровень выделяется достаточно энергии для поддержания в резонаторе стабильных колебаний на основной частоте спект­ ральной линии водорода.

Благодаря тому, что на стенках колбы имеется покрытие, происходит небольшой сдвиг частоты, но требуется принимать меры для обеспечения постоянства магнитного поля и точной на­ стройки объемного резонатора. Эти трудности постепенно были преодолены. В последних швейцарских образцах водородного ма­ зера осуществлен ряд усовершенствований, которые сводились в основном к улучшению магнитного экрана и повышению эффек­ тивности термостатирования. Магнитный экран состоит из шести концентричных цилиндров из муметалла, а температура рабочей зоны контролируется пятью термостатами. В швейцарских об­ разцах мазера в настоящее время достигнута нестабильность частоты порядка 1-10-13 [374,5].

Действительная частота спектральной линии цезия и водоро­ да слишком высокая, и измерить ее непосредственно нельзя. Ли­ ния используется для контролирования частоты кварцевого ос­ циллятора. В системе водородного мазера применен кварцевый резонатор с частотой 5001, 428 МГц.

В качестве базы единицы времени, по свидетельству Л. Эс­ сена, принят цезиевый эталон с атомно-лучевой трубкой; потен­ циальным эталоном является водородный мазер, а рабочим — рубидиевый элемент.

Рубидиевые мазеры с «оптической накачкой» предложены в 1956 г. Д. Карвером. На их основе созданы атомные часы, обыч-

но называемые эталонами с газовым осциллятором. Атомный пар —• в этом случае рубидиевый — заключают в небольшую квар­ цевую камеру диаметром около 5 см. Камера содержит также инертный газ под давлением 10 мм рт. ст. Этот буферный газ не допускает расширения спектральной линии из-за допплеровского эффекта и столкновений и увеличивает продолжительность за­ данного состояния атомов. Камера освещается рубидиевой лам­ пой, которая увеличивает плотность атомов на верхнем сверх­ тонком уровне вследствие процесса, известного под названием «оптической накачки». При дополнительном освещении камеры радиоволнами линейной частоты создаются переходы к низкому сверхтонкому уровню; тогда света поглощается больше, вслед­ ствие чего уменьшается количество света, прошедшего через кол­ бу. Уменьшение переданного света используется для индикации, или оптического управления, резонансным состоянием и кварце­ вым осциллятором. Между кварцевым генератором и спектраль­ ной линией атомов рубидия, как и в цезиевых часах, имеется до­ вольно сложный частотный преобразователь. Инертный газ соз­ дает нежелательный эффект — сдвиг частоты, который зависит от давления газа и точно рассчитать который трудно. Поэтому окончательную регулировку частоты приходится производить по цезиевому эталону путем изменения магнитного поля, в котором находится камера.

Для предотвращения ухода частоты от действия магнитных полей в одном из патентов, выданных недавно во Франции, пре­ дусмотрена система, основанная на смешении двух типов различ­ ных элементов. В резонаторный баллон, например, помещают смесь рубидия и цезия. В этом случае элементом, задающим ча­ стоту, является цезий. Резонансный баллон часов при этом за­ щищен от влияния внешних магнитных полей, а внутри баллона строго поддерживается поле заданного напряжения, что позволя­ ет значительно повысить стабильность частоты.

Рубидиевый мазер послужил основой для создания сравни­ тельно малогабаритных переносных атомных часов и портатив­ ных датчиков времени высокой частоты.

Рубидиевые мазеры с оптическим управлением дают стабиль­ ность порядка 10- 1 1 и могут быть созданы в габаритах, пригод­ ных для авиации.

Мазер с оптическим управлением. Весьма перспективным для создания малогабаритных переносных атомных часов является мазер с оптическим световым управлением (рис. 272). Свет от натриевой лампы 1 фокусируется оптической системой 2 и про­ пускается через кварцевую колбу 4, изнутри покрытую высоко­ молекулярным парафином и содержащую пары натрия в смеси с аргоном; последний служит в качестве буферного газа. Атом­ ная ячейка помещается в настроенный объемный резонатор 3, в который подаются электромагнитные колебания через входной волновод 6. Весь резонатор 3 находится в печи 7, создающей температуру, необходимую для испарения натрия. Фотоэлемент