КВАНТОВЫЕ ЧАСЫ

КВАНТОВЫЕ ЧАСЫ

       

(атомные часы), устройство для точного измерения времени, основной частью к-рого является квантовый стандарт частоты. Ход К. ч. регулирует частота излучения атомов при их квант. переходах из одного энергетич. состояния в другое. Эта частота столь стабильна при определённых внеш. условиях, что К. ч. позволяют измерять время точнее, чем астр. методы (см. ВРЕМЕНИ ИЗМЕРЕНИЕ). К. ч. применяются в службе времени, системах радионавигации, в астр. обсерваториях, лаб. практике и т. п., вытесняя менее совершенные кварцевые часы.

Сигналы квант. стандартов частоты непосредственно не могут быть использованы для приведения в действие часового механизма, т. к. мощность этих сигналов ничтожна, а частота колебаний, как правило, высока и имеет нецелочисленное значение (напр., мощность водородного генератора составляет 10-11— 10-12 Вт, а частота 1420,406 МГц). Для практич. применений нужен набор стандартных высокостабильных частот (1 кГц, 10 кГц, 100 кГц, 1 МГц и т. д.) при достаточной мощности выходного сигнала.

Поэтому К. ч., помимо квант. стандарта частоты (репера), содержат спец. электронные устройства, формирующие сетку частот, обеспечивающие действие часового механизма (вращение стрелок часов или смену цифр на их циферблате) и выдачу сигналов точного времени.

Большинство К. ч. содержит кварцевый генератор, частота к-рого контролируется с помощью репера; периодически вносятся поправки, благодаря чему точность кварцевых часов повышается до уровня точности самого репера. Для нек-рых систем (в частности, навигационных) более рациональна автоматич. подстройка частоты кварцевого генератора к частоте репера. В одном из вариантов такой системы (фазовая автоподстройка, рис. 1) частота wкв кварцевого генератора (обычно =10—20 МГц) умножается в нужное число (n) раз и в смесителе вычитается из частоты репера wр. Подбором wкв и n можно добиться, чтобы разностная частота D=wр=nwкв=wкв. Сигнал разностной частоты после усиления поступает на первый вход фазового детектора, на др. вход к-рого подаются колебания кварцевого генератора. Фазовый детектор вырабатывает напряжение, величина и знак к-рого зависят от разности фаз сигналов на его входе. Это напряжение подаётся на блок управления кварцевым генератором и вызывает сдвиг фазы колебаний генератора, к-рый препятствует отклонению wкв от разностной частоты D. Т. о., любое изменение wкв вызывает появление на выходе блока управления напряжение соответствующей величины и знака, сдвигающего wкв в обратном направлении. Частота генератора автоматически поддерживается неизменной. Стабильность частоты кварцевого генератора становится практически равной стабильности частоты репера. Т. н. синтезатор частот формирует из сигнала кварцевого генератора сетки столь же точных стандартных частот. Одна из них служит для питания электрич. часов, а остальные используются для метрологич. и др. целей. Погрешность хода лучших К. ч. такого типа =1с за неск. тыс. лет.

Первые К. ч. были созданы в 1957 в Нац. бюро стандартов США. Репером в них служил квант. генератор на пучке молекул аммиака (молекулярный генератор). В совр. К. ч. иногда используется цезиевый репер. Такие К. ч. не нуждаются в калибровке по эталону, т. к. номинальное значение опорной частоты может быть установлено на основе манипуляций в самом приборе. Их недостаток — сравнительно большой вес и чувствительность к вибрациям. Более распространены К. ч. с рубидиевым репером и оптич. накачкой. Они легче, компактнее, не боятся вибраций, но нуждаются в калибровке, после чего они поддерживают установленное значение частоты с относит. погрешностью =10-11 в год.

Рис. 2. Схема рубидиевого стандарта частоты с оптич. накачкой: рубидиевая лампа низкого давления 1 освещает колбу 2, наполненную парами 87Rb; 3 — объёмный резонатор; 4 — фотодетектор; 5 — усилитель низкой частоты; 6 — фазовый детектор; 7 — генератор низкой частоты; 8 — кварцевый генератор; 9 — умножитель частоты.

Осн. часть рубидиевых К. ч.— объёмный резонатор, в к-ром находится колба с парами 87Rb (рис. 2) при давлении р=10-3 мм рт. ст. Резонатор настроен на частоту определённой радиоспектральной линии 87Rb (w0=6835 МГц). Однако чувствительность радиоспектроскопа недостаточна, чтобы зафиксировать эту линию. Для увеличения чувствительности используются оптическая накачка паров 87Rb и оптич. индикация спектральной линии.

Рис. 3. Уровни энергии атомов 87Rb, используемые в рубидиевых часах.

Колбу освещают, причём частота света совпадает с частотой др. спектральной линии 87Rb, лежащей в оптич. диапазоне (газоразрядная лампа с парами 87Rb). Свет, прошедший сквозь колбу, попадает на фотоприёмник (напр., фотоэлектронный умножитель). Под действием света рубидиевой лампы атомы 87Rb возбуждаются, т. е. переходят из состояния с энергией ?2 в состояние ?3 (рис. 3). Если интенсивность света достаточно высока, то наступает насыщение (кол-во атомов, находящихся в состояниях ?2 и ?3, выравнивается). При этом поглощение света в парах уменьшается, и они под действием света становятся более прозрачными. Если одновременно с оптич. накачкой пары 87Rb облучить радиоволной с частотой w0, то атомы 87Rb перейдут с уровня ?1 на уровень ?2, в результате чего поглощение света в парах 87Rb увеличится. Источником радиоволны служит кварцевый генератор 8, возбуждающий в резонаторе эл.-магн. поле. При плавном изменении частоты генератора в момент w=w0 интенсивность света, попадающего на фотоприёмник, резко уменьшится.

Зависимость интенсивности света, прошедшего через пары 87Rb, от частоты радиоволны используется для автоматич. подстройки частоты колебаний кварцевого генератора по частоте радиоспектральной линии 87Rb. Колебания кварцевого генератора модулируются по фазе при помощи вспомогат. генератора низкой частоты 7 (см. МОДУЛЯЦИЯ КОЛЕБАНИЙ). Свет, проходящий через колбу, оказывается модулированным по интенсивности той же низкой" частотой. Электрич. сигнал фотоприёмника после усиления подаётся на фазовый детектор 6, на к-рый поступает также сигнал непосредственно от низкочастотного генератора. Амплитуда выходного сигнала фазового детектора тем больше, чем меньше расстройка частот спектральной линии и поля резонатора. Этот сигнал подаётся на элемент, изменяющий частоту кварцевого генератора, и поддерживает её значение таким, чтобы оно точно совпадало с вершиной спектральной линии 87Rb.

Точность рубидиевых К. ч. определяется гл. обр. шириной радиоспектральной линии 87Rb. Осн. причина уширения — Доплера эффект. Для уменьшения его влияния в колбу с парами 87Rb добавляется буферный газ (при давлении неск. мм рт. ст.). В результате спектральная линия приобретает вид узкого пика на широком низком пьедестале.

Точность рубидиевых К. ч. обусловлена также постоянством интенсивности света лампы (применяется автоматич. регулирование интенсивности). Возможно создание рубидиевых К. ч., в к-рых вместо оптич. индикации применяется квант. генератор на парах 87Rb. В этих К. ч. необходима интенсивная оптич. накачка и резонатор со столь высокой добротностью, чтобы выполнялись условия самовозбуждения. При этом пары 87Rb в колбе внутри резонатора излучают эл.-магн. волны на частоте w0. Радиосхема таких К. ч. также содержит кварцевый генератор и синтезатор, но, в отличие от предыдущего, частота кварцевого генератора управляется системой фазовой автоподстройки, в которой опорной является частота сигнала рубидиевого генератора.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.