Помимо активных систем, какими являются молекулярные (атомные) генераторы, для создания квантовых стандартов частоты применяются также пассивные квантовые приборы, в которых спектральная линия атомов используется как эталон (подобно высокодобротному резонатору) для стабилизации частоты кварцевого генератора. В настоящее время используются два вида подобных стандартов частоты: на цезиевой атомно-лучевой трубке и на ячейке с парами рубидия. Ниже рассматриваются устройство, принцип действия и параметры рубидиевого стандартов частоты.
Основной частью прибора является частотный дискриминатор на газовой ячейке, представленный на рис. 3.6. Он состоит из самой газовой ячейки 1, установленной внутри резонатора 2, источника света 3, оптического фильтра 4 и фотодетектора 5. Газовая ячейка представляет собой кварцевую колбу, наполненную смесью паров рабочего вещества: изотопа рубидия Rb87, находящегося под давлением порядка 10-6тор и буферного газа - криптона под давлением примерно 5 тор.
В отличие от молекулярного и атомного генераторов прибор работает по трех уровневой схеме. Используемые энергетические уровни атомов Rb87, условно обозначенные через 1, 2, 3, показаны на рис. 3.7. Рабочий переход между уровнями 2 ® 1 находится в диапазоне СВЧ: ¦л @ 6835 МГц. Переходы 3 ® 2 и 3 ® 1 находятся в оптическом диапазоне. Инверсия населенностей на рабочих энергетических уровнях 2 ® 1 создается путем воздействия на атомы Rb87 вспомогательного излучения (оптическая накачка).
Iс
¦л
Рис. 3.6. Частотный дискриминатор на газовой ячейке
3
Оптическая накачка
2
¦л = 6835 МГц
1
Рис. 3.7. Энергетические уровни атомов Rb87
Газовая ячейка освещается газоразрядной рубидиевой лампой с максимальной спектральной плотностью излучения на длине волны l = 7900 Ао. Попадающий в ячейку свет предварительно проходит через оптический фильтр, срезающий длинноволновую часть излучения рубидиевой лампы. Вследствие этого в световом потоке содержатся только такие фотоны, которые могут возбудить атомы, находящиеся на уровне 1, но не на уровне 2. Под воздействием оптической накачки атомы рубидия переходят с уровня 1 на уровень 3. Время жизни в этом состоянии очень мало и составляет величину порядка 10-7 с, поэтому атомы спонтанно переходят на уровни 1 и 2, причем вероятности переходов 3 ® 2 и 3 ® 1 почти одинаковы. Если время жизни атомов в состоянии 2 достаточно велико, то через определенный интервал времени почти все атомы перейдут в состояние 2 и процесс накачки закончится. При этом газовая ячейка прозрачна для отфильтрованного света рубидиевой лампы, так как уровень 1 не заселен.
Сигнал, возбуждающий колебания в резонаторе, имеет частоту близкую к ¦л @ 6835 МГц. Поэтому он индуцирует переходы атомов рубидия с уровня 2 на уровень 1. Чем ближе частота электромагнитных колебаний к ¦л, тем больше вероятность вынужденных переходов. Поскольку вынужденное излучение усиливает сигнал, индикация резонанса может быть осуществлена по максимуму мощности СВЧ в резонаторе. Однако из-за малой чувствительности этого метода индикация резонанса производится по изменению прозрачности газовой ячейки. При резонансе скорость перехода атомов с уровня 2 на уровень 1 максимальна и, следовательно, максимально поглощение фотонов, вызывающих переходы 1 ® 3. Световой поток, проходящий через ячейку, при этом минимален, и соответственно минимален ток фотодетектора. Зависимость тока фотодетектора от частоты сигнала СВЧ отображает форму спектральной линии и представлена на рис. 3.8.
Uд
¦0 n12 ¦
Рис. 3.8. Зависимость тока фотодетектора от
частоты СВЧ сигнала
В состав стандарта частоты, кроме дискриминатора, входят кварцевый генератор, схема преобразования частоты и схема автоподстройки частоты. При помощи схемы преобразования частоты, состоящей из умножителя, вспомогательного генератора и смесителя, номинальная частота кварцевого генератора доводится до частоты используемой спектральной линии рубидия. Полученный СВЧ сигнал возбуждает колебания в резонаторе. Если частота кварцевого генератора отклоняется от номинала, то изменяется ток фотодетектора и схема АПЧ подстраивает генератор.
Стабильность частоты пассивного стандарта зависит от точности совмещения частоты электромагнитного поля резонатора с центральной частотой спектральной линии. Для повышения стабильности частоты необходимо уменьшать ширину спектральной линии. В рубидиевом стандарте это достигается путем наполнения ячейки смесью паров рубидия и буферного газа - криптона. Выбор криптона обусловлен тем, что столкновения его молекул с атомами рубидия не приводят к существенному изменению энергетического состояния последних. Упругие столкновения атомов рубидия с молекулами буферного газа увеличивают время диффузии к стенкам ячейки, т.е. удлиняют время жизни в возбужденном состоянии. Согласно (3.11) это приводит к уменьшению ширины спектральной линии. Сокращение длины свободного пробега атомов рабочего вещества в буферном газе уменьшает также доплеровское уширение линии. Типичное значение ширины используемой спектральной линии рубидия в газовой ячейке составляет 2D¦л @ 200 Гц. Достигнутое при этом значение относительной стабильности частоты равно 5×10-12 за 1 час.
Основными достоинствами стандарта частоты на газовой ячейке являются простота конструкции, малый вес и размеры. Например, созданы приборы с габаритными размерами 280´230´150 мм и весом 5,5 кг. Недостаток газовых ячеек состоит в том, что из-за столкновений атомов рубидия с молекулами буферного газа возникает сдвиг частоты. Он зависит от давления буферного газа и может доходить до ~ 3×10-7, т.е. составляет около 2 кГц. Поэтому стандарты частоты с газовой ячейкой используются как вторичные эталоны частоты, градуированные по первичным эталонам, например по водородному генератору.
В 1967 г. Международная конференция весов и мер приняла за единицу времени атомную секунду, определив ее как 9 192631770,0 периодов электромагнитных колебаний, соответствующих квантовому переходу атомов цезия Сs133 ("0" после запятой означает, что принятое определение дальнейшему уточнению не подлежит). Указанные колебания вырабатываются атомно-лучевым пассивным стандартом с цезиевым репером частоты (рис. 3.9).
2 4
N 3 N
I H
1 H1H2 5 6
II
S 8 S 7
Рис. 3.9. Схема атомно-лучевого стандарта с
цезиевым репером частоты
Пучок атомов цезия, вылетев из источника 1, направляется к приемнику 5. По пути атомы Сs133 пролетают между полосами отклоняющего магнита 2. Вследствие эффекта Зеемана в магнитном поле Н1 происходит расщепление энергетических уровней. Конфигурация полюсных наконечников магнита 2 выбирается такой, чтобы магнитное поле Н1 было неоднородным. Тогда атомы нижнего уровня будут втягиваться сильным полем, атомы верхнего - слабым (как в квадрупольном конденсаторе). Если поле N наконечника сильнее, то в луче I останутся атомы верхнего уровня, а в луче II - нижнего.
В резонатор 3 поступают колебания от управляемого СВЧ-генератора. При частоте колебаний, совпадающей с частотой перехода, энергетические состояния атомов верхнего и нижнего уровней изменяются на противоположные. Тогда магнитом 4 образуются лучи I и II, так как северный полюс магнита отталкивает атомы верхнего уровня, а южный полюс - атомы нижнего уровня. Сфокусированные атомы цезия попадают в приемник 5 и образуют на его выходе сигнал.
Если же частота колебаний СВЧ-генератора изменится, то уменьшится число атомов, вступивших в энергообмен с полем резонатора. Поэтому большее число атомов притянется полюсами магнита 4 и в приемник попадет меньше атомов цезия. Выходной сигнал при этом уменьшится.
Следовательно, выходное напряжение зависит от частоты СВЧ-генератора и может использоваться для автоподстройки. Параметры цезиевого стандарта приведены в таблице 3.1.
Таблица 3.1
Параметр
Стандарт
Водородный
генератор
Рубидиевый
Цезиевый
атомно-лучевой
Номинальная частота , Гц
1 420 405 751
6 834 682 608
9 192 631 770
Относительная стабильность за сутки
2×10-14
5×10-12
2×10-13
Объем, м3
1,5
0,06
0,15
Масса, кг
Потребляемая мощность, Вт
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Панфилов И.П. Приборы СВЧ и оптического диапазонов./Учебное пособие для высших учебных заведений. М: Радио и связь. 1993. 200 с.
2. Страховский Г.М., Успенский А.В. Основы квантовой электроники. М: Высшая школа. 1979. 303 с.
3. Никольский И.А. Квантовые усилители. М: Энергия. 1964. 63 с.
4. Машковцев Б.М., Юзвинский В.И., Морозенский Ю.Л. и др. Техника СВЧ. Под. ред. Б.М. Машковцева Л: Военная ордена Ленина Краснознаменная академия связи. 1972. 431 с.
5. Квантовая электрника. Маленькая энциклопедия. Под. ред. С.А. Ахманова и М.Е. Жаботинского. М: Советская энциклопедия. 1969. 432 с.
Iс
3
2
Uд
¦0 n12 ¦
2 4
N 3 N
I H
1 H1 H2 5 6
